close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Волков В. С. Основы расчёта систем автомобилей

код для вставкиСкачать
В.С. Волков
ОСНОВЫ РАСЧЁТА СИСТЕМ
АВТОМОБИЛЕЙ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ
БЕЗОПАСНОСТЬ ДВИЖЕНИЯ
1
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Воронежская государственная лесотехническая академия»
В.С. Волков
ОСНОВЫ РАСЧЁТА СИСТЕМ АВТОМОБИЛЕЙ,
ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ БЕЗОПАСНОСТЬ ДВИЖЕНИЯ
Допущено УМО вузов РФ по образованию в области
транспортных
машин
и
транспортно-технологических
комплексов в качестве учебного пособия для студентов вузов,
обучающихся
по
направлению
подготовки
бакалавров
«Эксплуатация
транспортно-технологических
машин
и
комплексов»
(профиль
подготовки
«Автомобили
и
автомобильное хозяйство»)
Воронеж 2014
2
УДК 629.33.001.6
В67
Печатается по решению учебно-методического совета
ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» (протокол № 5 от 31 января 2014 г.)
Рецензенты: кафедра электротехники и автоматики ФГБОУ ВПО
Воронежский ГАУ;
д-р техн. наук, проф. О.И. Поливаев
Волков, В. С.
В67 Основы расчёта систем автомобилей, обеспечивающих безопасность
движения [Текст] : учебное пособие / В. С. Волков ; М-во образования и науки
РФ, ФГБОУ ВПО «ВГЛТА». – Воронеж, 2014. – 111 с.
ISBN 978-5-7994-0588-5 (в пер.)
Рассмотрены вопросы, связанные с расчётом оценки работоспособности систем
автомобилей, обеспечивающих безопасность движения. Проанализированы конструкции
отдельных узлов и агрегатов автомобиля с учетом предъявляемых требований, представлены
рекомендации по выбору их конструктивных схем и методам расчета.
Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлению подготовки 190600 – Эксплуатация транспортнотехнологических машин и комплексов, а также инженерно-технических специалистов.
УДК 629.33.001.6
ISBN 978-5-7994-0588-5
© Волков В. С., 2014
© ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная
лесотехническая академия», 2014
3
Введение
Повышение эффективности эксплуатации автомобильного транспорта с
соблюдением требований безопасности движения является важной государственной задачей. Обеспечение оптимальных режимов эксплуатации автомобильного подвижного состава с наибольшей эффективностью для народного
хозяйства требует постоянного мониторинга за техническим состоянием транспортных средств, прежде всего, по состоянию оценки работоспособности наиболее ответственных деталей, узлов и агрегатов. Работа в современных условиях требует от специалистов достаточно полных знаний в части протекания рабочих процессов в системах, агрегатах и узлах, обеспечивающих безопасность
движения при транспортной работе.
К системам автомобилей, обеспечивающих безопасность движения, в
первую очередь относятся системы рулевого и тормозного управления, колёсного движителя, несущей системы, а также светотехническое, вспомогательное
и навигационное оборудование. В меньшей степени в обеспечении безопасности движения участвуют также силовая установка и агрегаты трансмиссии:
сцепление, коробка передач, главная и карданная передачи, подвеска.
Требования к автомобильному подвижному составу по обеспечению
безопасности движения регламентированы международными нормами, стандартами и соглашениями. Требования к силовым агрегатам, в основном, сводятся к регламентации содержания конкретных компонентов в отработавших
газах, уровня шума и вибраций. Требования к агрегатам трансмиссии, рулевым
и тормозным системам устанавливают, прежде всего, нормативы по предельным состояниям их работоспособности, когда вследствие естественного износа
или изменения свойств материала по времени наступает предельное состояние
какой-либо детали, а, следовательно, и всей системы, когда невозможно обеспечить безопасность транспортной работы автомобиля. Безопасная работа колёсного движителя определяется, прежде всего, состоянием пневматических
шин по показателям предельно допустимой скорости эксплуатации в течение
длительного времени без превышения допустимого нагрева протектора и каркаса шины.
Требования к светотехническому оборудованию определяют характеристики световых приборов и их расположение на транспортном средстве, их цвет
и режимы подачи световых сигналов, а также условия видимости другими участниками движения. Фары головного освещения в режиме ближнего света
должны обеспечивать как необходимую освещённость дороги перед автомобилем, так и минимальное слепящее действие для водителей встречных транспортных средств. Вспомогательное и навигационное оборудование должно
обеспечивать комфортные условия водителю по управлению автомобилем.
4
1. Работа автомобильной шины
Автором первой «резиновопапирусной» шины считается Роберт Уильям
Томсон, получивший патент США № 10990 от 10 июня 1846 года. После этого
в 1895 году в США, далее в Европе сформировался знакомый современным
пользователям облик камерной шины с диагональным расположением корда.
Новым этапом развития конструкций пневматических шин явилось появление
шин с радиальным расположением нитей корда, широкопрофильных шин или
пневмокатков, низкопрофильных скоростных шин, а также шин сверхнизкого
давления для транспортных средств высокой проходимости.
Развитие конструкции шин непосредственно связано с совершенствованием конструкции транспортных средств и осуществляется в направлении согласования характеристик шин и характеристик агрегатов автомобилей, прежде
всего, рулевых систем. Для высокоскоростного движения по усовершенствованным дорогам целесообразно использовать низкопрофильные шины с малой
глубиной протектора. Повышение комфортабельности автомобиля при этом
достигается путём использования шин с пониженным давлением и с увеличенной шириной профиля, а также уменьшенной толщиной каркаса.
Использование резиновых материалов, сохраняющих высокую эластичность при отрицательных температурах, а также применение специальных рисунков протектора с увеличенной его толщиной предопределило создание так
называемых зимних шин, обеспечивающих более высокий коэффициент сцепления их с обледенелой дорогой. В некоторых случаях конструкция таких шин
дополняется металлическими шипами, однако, такое решение не всегда разрешается дорожным законодательством некоторых государств.
К основным показателям работы автомобильной шины относятся ее поглощающая способность и наработка (пробег). Решающее значение на наработку шины оказывают следующие эксплуатационно-технические факторы: вертикальная нагрузка на колесо Qк, внутреннее давление воздуха рв, скорость движения и качество дорожной поверхности.
Увеличение вертикальной нагрузки Qк сверх нормативной в 1,5 раза приводит к сокращению наработки на 50 … 60 %. На столько же сокращает наработку шины снижение внутреннего давления воздуха в 2 раза от нормативной
величины. Резко увеличивается износ протектора шины при движении по дорогам с большим количеством мелких неровностей [3].
Основными материалами для производства шин являются резина, которая
изготавливается из натуральных и синтетических каучуков, и корд. Кордовая
ткань может быть изготовлена из металлических нитей, полимерных и текстильных нитей. Шина состоит из: каркаса, слоёв брекера, протектора, борта и
боковой части.
5
Ри
ис. 1.1. Сттруктура шины: 1 – протекттор; 2 – пллечевая ччасть; 3 – каркас;
4 – бокоовая частть (крыло шины); 5 – брекерр и подуш
шечный сл
лой;
6 – дополнитеельная всттавка в пллечевой зоне (зелен. цв.); 7 – бортово
ое кольцоо;
8 – бортоваая часть
Рис. 1.2. Изм
мерение вы
ысоты прротектораа
Текстильный и поолимерны
Т
ый корд об
бычно пррименяюттся в шин
нах, предн
назначен
нных дляя легковы
ых автомообилей и грузовыхх автомообилей маалой груззоподъём
мности. Металлок
М
корд исполльзуется в шинах грузовыхх автомоб
билей. В заз
висимости от ориентаци
ии нитей корда
к
в кааркасе различают ш
шины:
6
радиальные;
•
диагональные.
В радиальных шинах нити корда расположены вдоль радиуса колеса. В
диагональных шинах нити корда расположены под углом к радиусу колеса, нити соседних слоёв перекрещиваются.
Радиальные шины конструктивно более жёсткие, вследствие чего обладают большим ресурсом, обладают стабильностью формы пятна контакта, создают меньшее сопротивление качению, обеспечивают меньший расход топлива. Из-за возможности варьировать количество слоёв каркаса (в отличие от обязательно чётного количества в диагональных) и возможности снижения слойности, снижается общий вес шины, толщина каркаса. Это снижает разогрев
шины при качении – увеличивается срок службы. Брекер и протектор так же
легче высвобождают тепло – возможно увеличение толщины протектора и глубины его рисунка для улучшения проходимости по бездорожью. В связи с этим,
в настоящее время радиальные шины для легковых автомобилей практически
полностью вытеснили диагональные.
Брекер находится между каркасом и протектором. Предназначен для защиты каркаса от ударов, придания жёсткости шине в области пятна контакта
шины с дорогой и для защиты шины и ездовой камеры от сквозных механических повреждений. Изготавливается из толстого слоя резины (в лёгких шинах)
или скрещённых слоёв полимерного корда и (или) металлокорда.
Протектор необходим для обеспечения приемлемого коэффициента сцепления шин с дорогой, а также для предохранения каркаса от повреждений.
Протектор обладает определённым рисунком, который различается в зависимости от назначения шины. Шины высокой проходимости имеют более глубокий
рисунок протектора и грунтозацепы на его боковых сторонах. Рисунок и конструкция протектора дорожной шины определяется требованиями к отведению
воды и грязи из канавок протектора и стремлением снизить шум при качении.
Но, всё же, главная задача протектора шины – обеспечить надёжный контакт
колеса с дорогой в неблагоприятных условиях, таких как дождь, грязь, снег
и т. д., путём их удаления из пятна контакта по точно спроектированным канавкам и желобкам рисунка. Но эффективно удалять воду из пятна контакта протектор в силах лишь до определённой скорости, выше которой жидкость физически не сможет полностью удаляться из пятна контакта, и автомобиль теряет
сцепление с дорожным покрытием, а следовательно и управление. Этот эффект
носит название аквапланирование. Существует широко распространённое заблуждение, что на сухих дорогах протектор снижает коэффициент сцепления
из-за меньшей площади пятна контакта по сравнению с шиной без протектора
(slick tyre). Это неверно, так как в отсутствие адгезии сила трения не зависит от
площади соприкасаемых поверхностей. На гоночных автомобилях в сухую погоду используются шины с гладким протектором либо вообще без него для того, чтобы снизить давление на колесо, уменьшив его износ, тем самым позволив применять в изготовлении шин более пористые мягкие материалы, обла•
7
дающие бóльшим сцеплением с дорогой. Во многих странах существуют законы, регулирующие минимальную высоту протектора на дорожных транспортных средствах, и многие дорожные шины имеют встроенные индикаторы износа.
Борт позволяет покрышке герметично садиться на обод колеса. Для этого
он имеет бортовые кольца и у бескамерных шин изнутри покрыт слоем вязкой
воздухонепроницаемой резины.
Боковая часть предохраняет шину от боковых повреждений.
Бескамерные шины (tubeless) наиболее распространены благодаря своей
надёжности, меньшей массе и удобству эксплуатации. Например, прокол в бескамерной шине не причинит больших неудобств по дороге до автосервиса.
Работа эластичной шины сопровождается наличием гистерезиса, вызывающего её нагрев. После начала движения рабочая температура шины обычно
достигается через 10 … 15 минут и находится в пределах 40 … 60 оС. В некоторых случаях при работе в особо тяжелых условиях температура шины может
достигать 100 оС. Основное влияние на тепловой режим шины оказывает тип
резины, способ сборки каркаса и число слоев корда. Каждый новый слой корда
увеличивает рабочую температуру шины на 5 .. 8 оС. При этом зонами наибольшего нагрева являются брекер и протектор шины.
Для каждого типоразмера шины существует характеристика критической
скорости, определяемой по формуле [4]
υ кр = cos β к ⋅
рв ( Rэ2 − rц2 )
,
2 Rэγ рtб
(1.1)
где βк – угол наклона нитей корда к радиусу шины, для радиальных шин
βк = 0;
рв – нормативное давление воздуха в шине, Па;
Rэ – радиус шины по ее экватору, м;
rц – радиус шины по ее центральной части, м;
γр – плотность резинового материала, кг/м3;
tб – толщина беговой части шины, м.
При скоростях, превышающих υкр, на беговой поверхности шины возникают тангенциальные колебания, которые могут накладываться на собственные
колебания подрессореной массы, в результате чего могут возникать резонансные колебания со значительной амплитудой, способные вызвать разрушения
шины и деталей подвески. На скорости выше критической, при входе очередного участка шины в соприкосновение с дорогой, волновое движение протектора
вызывает появление вертикальных ударных нагрузок, увеличивающих сопротивление качению, вызывающих повышенное теплообразование и сокращающих наработку шин. Исходя из этого, проектирование шин должно вестись по
условию, что критическая скорость шины должна в 1,5 … 2,0 раза превышать
8
предельно возможную эксплуатационную скорость транспортной работы автомобиля.
Одним из важнейших показателей работы пневматической шины является ее упругая характеристика, то есть зависимость радиальной деформации h от
вертикальной нагрузки Qк.
Авторы [3] приводят следующую эмпирическую зависимость радиальной
деформации шины от вертикальной нагрузки
h2
с2 h
,
= с1 +
Qк
pв + р к
(1.2)
где С1 и С2 – постоянные коэффициенты, учитывающие особенности конструкции шины и ее геометрические размеры;
рк – напряжения в каркасе шины, обычно находящиеся в пределах рк = 0,01
… 0,03 МПа, при этом меньшие значения относятся к малослойным шинам.
Для выполненных конструкций тороидных шин конструктивная постоянная С1 = 0,02 … 0,04 м2/МПа; при этом меньшее значение относится к скоростным шинам, большее – к шинам повышенной проходимости. Конструктивная
постоянная геометрических размеров С2 = 0,5 … 0,9 см-1.
Qк
h
Рис. 1.3. Упругая характеристика шины
Исходя из указанного, по величинам радиальной деформации шины h и
толщины каркаса шины Н, может быть определен коэффициент деформации
шины
Н −h
δш = 1−
,
(1.3)
Н
9
который для выполненных конструкций обычно находится в пределах δш = 0,85
… 0,88.
При этом предельная нагрузка на шину [3]
Qк max
k г Вш2 (d + B )
=
,
d c + Bш
(1.4)
где kг – коэффициент грузоподъемности шины, МПа;
Вш – ширина стандартного профиля шины в рабочем состоянии, м;
В – ширина профиля рассматриваемой шины,м;
d – диаметр обода рассматриваемой шины, м;
dс – диаметр стандартного обода шины, в метрах, из ряда 10; 12; 13; 14; 15;
16; 20; 22,5 дюймов.
Для выполненных конструкций коэффициент грузоподъемности находится в следующих пределах:
- для шин легковых автомобилей и шин автомобилей высокой проходимости с регулируемым давлением kг = 0,15 … 0,17 МПа;
- для шин грузовых автомобилей kг = 0,23 … 0,27 МПа.
В маркировке автомобильных шин отечественного производства обычно
указываются две основные характеристики: ширина профиля В и диаметр посадочного обода dс. При этом наличие диагонального расположения нитей корда
никак не указывается, а наличие радиального расположения нитей корда указывается буквой R.
Например, маркировка 205-381 (8.07-15) R означает, что ширина профиля
205 мм, диаметр посадочного обода 381 мм. В скобках указаны те же значения,
только в дюймах. Наличие буквы R свидетельствует о радиальном расположении нитей корда.
Маркировка автомобильных шин ведущих мировых производителей осуществляется с указанием большего числа параметров, характеризующих функциональное назначение шины.
Например, в метрической системе: LT205/55R16 91V
•
LT (опционально, обязательное обозначения по DOT) – функция шины
(P – легковой автомобиль (Passenger car), LT – лёгкий грузовик (Light Truck),
ST – прицеп (Special Trailer), T – временная (используется только для запасных
шин))
•
205 – ширина профиля, мм
•
55 – отношение высоты профиля к ширине, %. Если не указан – считается
равным 82 %.
•
R – шина имеет каркас радиального типа (если буквы нет – шина диагонального типа). Частая ошибка – R принимают за букву радиуса. Возможные
варианты: B – bias belt (диагонально-опоясанная шина. Каркас шины тот же,
что и у диагональной шины, но имеется брекер, как у радиальной шины), D или
не указан – диагональный тип каркаса.
10
16 – посадочный диаметр шины (соответствует диаметру обода диска),
•
дюйм
91 – индекс нагрузки (на некоторых моделях в дополнение к этому может
быть указана нагрузка в Н — Max load)
•
V – индекс скорости (определяется по таблице)
То же самое в дюймовой системе:
Например, 35×12.50 R 15 LT 113R:
•
35 – внешний диаметр шины, в дюймах;
•
12.50 – ширина шины, в дюймах (обратите внимание, что это ширина
именно шины, а не протекторной части. Например, для шины с указанной шириной 10.5 дюймов ширина протекторной части будет равна не 26.5, а 23 см, а
протекторная часть 26.5 см будет у шины с указанной шириной 12.5.). Если не
указан внешний диаметр, то профиль высчитывается следующим образом: если
ширина шины оканчивается на ноль (например, 7.00 или 10.50), то высота профиля считается равной 92 %, если ширина шины оканчивается не на ноль (например, 7.05 или 10.55), то высота профиля считается равной 82 %;
•
R – шина имеет каркас корда радиального типа;
•
15 – посадочный диаметр шины, в дюймах, то же что в метрической системе;
•
LT – функция шины (LT – light trucks, для лёгких грузовиков);
•
113 – индекс нагрузки;
•
R – индекс скорости.
Индекс нагрузки шины определяется по специальным таблицам и характеризует максимально допустимую радиальную нагрузку на шину. Индекс нагрузки находится в пределах от 0 (нулевого значения), допускающего нагрузку
на шину 450 Н до 199, допускающего нагрузку на шину 136000 Н. При индексе
нагрузки 100 шина допускает радиальную нагрузку 8000 Н.
Индекс скорости представляет собой скоростную категорию, присваиваемую шине по результатам специальных стендовых испытаний, подразумевает максимальную скорость в км/ч, выдерживаемую шиной. При этом подразумевается, что в эксплуатации автомобиль должен ездить со скоростью на 10 …
15 % меньше максимально допустимой. Иначе вследствие превышения предельно допустимой скорости в материале шины могут возникнуть мгновенные
разрушения, с большой вероятностью приводящие к возникновению дорожнотранспортных происшествий.
Индекс скорости обычно имеет буквенное обозначение согласно данным,
содержащимся в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Характеристика индекса скорости автомобильных шин
•
Индекс
скорости
Максимальная
скорость, км/ч
J
K
L
M
N
P
Q
R
S
T
U
V
W
Y
100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 240 270 300
11
Контрольные вопросы
1. Какие основные факторы оказывают влияние на тепловой режим автомобильной шины?
2. Вследствие чего качение автомобильной шины сопровождается её гистерезисом?
3. Чем опасно наложение тангенциальных колебаний шины на собственные колебания подрессоренной массы автомобиля?
4. Как определяется и от каких факторов зависит критическая скорость
шины?
5. Какие явления происходят при качении шины со скоростью выше критической скорости шины?
6. По какому условию значения критической скорости должно вестись
проектирование автомобильных шин?
7. Что представляет собой упругая характеристика пневматической шины?
8. Какова зависимость радиальной деформации пневматической шины от
вертикальной нагрузки?
9. В каких пределах находятся напряжения в каркасе шины?
10. Как определяется предельная нагрузка на шину?
11. В каких пределах находится коэффициент грузоподъёмности для шин
легковых автомобилей?
12. Как осуществляется маркировка автомобильных шин?
13. Что обозначает индекс нагрузки шины?
14. Что обозначает индекс скорости шины?
15. В чём заключаются основные преимущества бескамерных шин?
12
2. Рулевые управления
Рулевое управление служит для обеспечения автомобилю возможности
маневрирования. В общем случае автомобильное рулевое управление может
рассматриваться в виде следующих трех составных частей: рулевого механизма, рулевого привода и усилителя. Изменение направления движения автомобиля или автопоезда может осуществляться следующими четырьмя способами:
- поворотом управляемых колес;
- поворотом управляемых осей или тележек;
- складыванием составных звеньев транспортного средства;
- бортовым способом посредством затормаживания колес одного борта.
Конструкция рулевого управления должна удовлетворять следующему
ряду требований.
- Обеспечение высокой маневренности автомобиля на ограниченной
площади.
- Наличие незначительных усилий на рулевом колесе при управлении автомобилем.
- Наличие высокой надежности, обеспечивающей требуемый уровень
безопасности движения.
- Обеспечение требуемой кинематики поворота автомобиля, исключающей проскальзывание управляемых колес.
- Наличие умеренной амплитуды толчков от неровностей дороги на рулевом колесе.
- Точность кинематического следящего действия в траектории поворота
автомобиля.
В качестве основных показателей рулевого управления могут рассматриваться:
- кинематическое передаточное число Uкру, определяемое по отношению
угла поворота рулевого колеса αр к среднему углу поворота управляемых колес
θср при отсутствии сопротивления повороту управляемых колес со стороны дороги
U кру =
αр
,
θ ср
при
θ ср =
θн + θв
2
,
(2.1)
где θн и θв – соответственно углы поворота наружного и внутреннего по отношению к центру поворота автомобиля колес;
- динамическое передаточное число Uдру, определяемое по отношению
угла поворота рулевого колеса αр к среднему углу поворота управляемых колес
θср(φ) при наличии момента сопротивления повороту управляемых колес со
стороны дороги
13
U дру
αр
=
;
θ ср (ϕ )
(2.2)
- жёсткость рулевого управления Сру, определяемая по отношению момента, поворачивающего рулевое колесо Мрк к углу его поворота αр при жестко
закрепленных в положении, соответствующем прямолинейному движению автомобиля управляемых колесах
Сру =
М рк
αр
, Нм/рад.
(2.3)
Учет жёсткости рулевого управления необходим при рассмотрении динамики процесса передачи усилия от рулевого колеса к управляемым колесам и в
обратном направлении.
Исходной величиной для расчета рулевого управления является момент
Мц на поворотной цапфе сопротивления повороту управляемых колес в наиболее неблагоприятных условиях: на месте на сухой шероховатой поверхности
при полностью нагруженном автомобиле,
Мц =
m1 g
ηц
(0,14ϕrк + fa ),
(2.4)
где m1 – часть максимальной разрешенной массы автомобиля, приходящейся на
управляемый мост, кг;
g – ускорение земного притяжения, g = 9,81 м/с2;
ηц – коэффициент, учитывающий потери на трение в узлах поворота цапф,
обычно ηц = 0,9 … 0,95;
φ – коэффициент сцепления колес с дорогой, для рассматриваемых условий
находящийся в пределах φ = 0,75 … 0,85;
rк – радиус качения колеса, м;
f – коэффициент сопротивления качению колеса, для рассматриваемых условий находящийся в пределах f = 0,015 … 0,018;
а – плечо обкатки колеса, м.
Окружное усилие, прикладываемое водителем к рулевому колесу для
преодоления момента Мц, может быть определено по выражению
Ррк =
где Rрк – радиус рулевого колеса, м;
ηру – КПД рулевого управления,
Мц
,
RркU друη ру
ηру = ηрмηрп ,
(2.5)
14
где ηрм – КПД рулевого механизма в прямом направлении, обычно находящийся
в пределах ηрм = 0,75 … 0,85;
ηрп – КПД рулевого привода, обычно находящийся в пределах ηрп = 0,9 …
0,95;
Uдру – динамическое передаточное число рулевого управления,
U дру = U рмU рп ,
где Uрм – угловое передаточное число рулевого механизма;
Uрп – передаточное число рулевого привода.
В соответствии с нормативными требованиями на проектирование автомобильных конструкций, усилие на рулевом колесе Ррк в условиях транспортной работы автомобиля не должно превышать 50 Н и при повороте колес на
месте – 200 Н.
2.1. Рулевые механизмы
Рулевой механизм является механическим редуктором, осуществляющим
передачу момента от рулевого колеса к валу сошки с требуемым угловым передаточным числом, определяемым по отношению угла поворота рулевого колеса
αр к углу поворота вала сошки αс,
U рм =
αр
.
αс
(2.6)
В существующих конструкциях величина углового передаточного числа
рулевого механизма обычно находится в пределах Uрм = 15 … 30, в отдельных
случаях доходит до 40. При выборе Uрм должно обеспечиваться соответствие
двух оборотов рулевого колеса из положения прямолинейного движения автомобиля (αр = 7200) повороту управляемых колес на углы θук = 35 … 400. С увеличением Uрм снижается усилие на рулевом колесе, однако при этом снижается
чувствительность рулевого управления, что не всегда является целесообразным.
Рулевые механизмы могут быть как с постоянным, так и с переменным
передаточным числом. Рулевой механизм с переменным передаточным числом
обеспечивает бóльшую величину Uрм и, следовательно, меньшую чувствительность рулевого управления при прямолинейном движении автомобиля. При поворотах автомобиля величина Uрм нелинейно уменьшается в зависимости от угла поворота рулевого колеса, что обеспечивает большее удобство управления
автомобилем.
Конструкция рулевого механизма должна обеспечивать как можно более
высокий КПД в прямом направлении ηпр при передаче усилия от рулевого колеса к сошке и несколько меньший – ηобр в обратном направлении для снижения
толчков от дороги на рулевом колесе.
В зависимости от конструктивного исполнения рулевые механизмы могут
быть:
15
- червячные: рабочая пара «червяк-ролик»;
- реечные: рабочая пара «рейка-зубчатый сектор»;
- комбинированные: рабочие пары «винт-шариковая гайка» + «рейказубчатый сектор».
Червячные рулевые механизмы при наличии ведущего элемента в виде
глобоидального червяка имеют переменное передаточное число, обладают КПД
в прямом направлении ηпр = 0,85 … 0,88 и в обратном направлении ηобр = 0,45
… 0,55. При этом из всех рассматриваемых типов рулевых механизмов червячные механизмы обладают наименьшей жесткостью, что предопределяет их работу в сочетании с относительно жесткими в боковом направлении шинами,
как правило, с диагональным расположением корда.
Реечные рулевые механизмы имеют постоянное передаточное число, обладают КПД в прямом направлении ηпр = 0,8 … 0,85 и в обратном направлении
ηобр = 0,5 … 0,6. В сравнении с червячными рулевыми механизмами реечные
механизмы обладают большей жесткостью, что предопределяет их работу в сочетании с более эластичными в боковом направлении шинами, как правило, с
радиальным расположением корда.
2.1.1. Расчет червячного рулевого механизма
Исполнительными элементами червячного рулевого механизма являются
цилиндрический или глобоидальный червяк и двух- или трехгребневый ролик,
управляющий углом поворота вала сошки.
ось червяка
Мрк
ro
ось ролика
аωч
Рч
Qч
Ro
No
ось вала сошки
Рис. 2.1. Схема к расчету червячного рулевого механизма
Оценка работоспособности рабочих поверхностей червяка и ролика производится по контактным напряжениям сжатия
16
σ сж =
Qч
,
Fчр
(2.7)
где Qч – осевая составляющая силы на червяке, Н;
Fчр – площадь контакта зубьев червяка и ролика, м2.
Осевая сила Qч может быть определена по формуле
Qч = Рч tgβ ч ,
(2.8)
где Рч – поперечная составляющая силы на червяке, Н;
Рч =
М рк
r0
,
(2.9)
где Мрк – момент, прикладываемый водителем к рулевому колесу, Нм;
rо – радиус делительной окружности червяка по наименьшему сечению, м;
βч – угол наклона винтовой линии червяка к поперечной плоскости.
Необходимым условием совместной работы червяка и ролика является
равенство их окружных шагов. При этом окружной шаг является постоянной
величиной, а переменными являются радиус червяка rо и угол наклона винтовой линии червяка βч. В существующих конструкциях автомобилей отечественного производства угол βч обычно находится в пределах 8 … 10 0.
Передаточное число рулевого механизма с глобоидальным червяком является переменным и может быть определено по выражению
U рм =
R0
а −r
= ω 0,
r0tgβ ч r0tgβ ч
(2.10)
где аω - межцентровое расстояние между осями вращения червяка и вала сошки
есть сумма радиуса червяка r0 и радиуса поворота ролика Ro
аω = R0 + r0 .
Площадь контакта зубьев червяка и ролика может быть определена по
формуле
Fчр =
iр [(sin ϕч − sin ϕ р ) ⋅ (rч2 + rр2 )]
2
,
(2.11)
где iр – число гребней ролика, обычно iр = 2 или 3;
φч и φр – центральные углы контакта, соответственно, червяка и ролика;
обычно φч = 30 … 450; φр = 45 … 600;
rч и rр – наружные радиусы, соответственно, червяка и ролика, м.
Наружный радиус червяка rч может быть определен по зависимости
rч = r0 + (0,2...0,25)tч ,
(2.12)
где tч – шаг червяка, определяемый величиной передаточного числа рулевого
механизма,
17
tч =
2πR0
.
U рм
Наружный радиус ролика обычно составляет
rр = (1,25...1,30) rч .
Для изготовления червяка и ролика применяются стали типа 20ХНМ;
12Х2Н4А; 20ХГНТР с последующей нитроцементацией рабочих поверхностей
на глубину 0,7 … 1,6 мм, имеющие характеристику допускаемых напряжений
сжатия [σсж] = 850 … 1000 МПа.
2.1.2. Расчет рабочей пары «винт-шариковая гайка»
В соединении рассматриваемого типа ведущим элементом является однозаходный винт с постоянным шагом, находящимся в пределах tв = 12 … 18 мм и
углом подъема винтового канала βв = 10 … 15 0. Для передачи усилия на ведомую гайку используются шарики диаметром dш = 7 … 9 мм.
d
d1
hж
х
Винт
Гайка
d0
D
D1
Рис. 2.2. Схема к расчету рабочей пары «винт-шариковая гайка»
Радиус желоба rж винта и гайки для исключения заклинивания шарика
должен быть больше его радиуса и, так же, как в конструкции радиальноупорного подшипника, необходимо соблюдение зависимости
rж = (0,51 … 0,53)dш.
В соответствии с этим внутренний d1 и наружный d диаметры желоба
винта, а также внутренний D и наружный D1 диаметры желоба гайки могут
быть определены из следующих соотношений:
18
d = d1 + 2hж ;
d1 = d 0 − 2(rж − х);
(2.13)
D = D1 − 2hж ,
D1 = d 0 + 2(rж − х);
где hж – глубина желоба, м;
х – смещение центра профилей желобов винта и гайки относительно линии
центров шариков и среднего диаметра винтового канала d0, м,
d ⎞
⎛
х = ⎜ rж − ш ⎟ cos α ш ,
2 ⎠
⎝
где αш – угол наклона результирующего вектора силы в контакте шарика c винтом и гайкой к плоскости, перпендикулярной оси вращения винта. В существующих конструкциях αш = 45 … 60 0.
Диаметр винтовой линии расположения центров шариков относительно
оси вращения винта
d0 =
tв
.
πtgβ в
(2.14)
Напряжения сжатия в контактных поверхностях шарика с желобками
винта и гайки определяются по формуле
2
σ сж = mж
3
1 ⎞
2⎛ 1
⎜
⎟⎟
−
4Qвг Е ⎜
⎝ dш dж ⎠ ,
zнш sin β в ⋅ cos α ш
(2.15)
где mж – коэффициент, характеризующий кривизну контактирующих поверхностей, для существующих конструкций mж = 0,6 … 0,8;
Qвг – осевая сила в контакте винта с гайкой, определяемая по формуле
Qвг =
2М ркtgβ в
d0
;
(2.16)
где Мрк – момент, прикладываемый водителем к рулевому колесу, Нм;
Е – модуль упругости материала первого рода, для возможных к применению сталей Е = 210 ГПа;
dж – диаметр желоба, dж = 2rж;
zнш – число одновременно находящихся под нагрузкой шариков в желобе;
Минимальное число шариков в одном витке
zшв =
tв
.
d ш sin β в
(2.17)
19
Число рабочих витков гайки
zнш
iв =
.
zшв
(2.18)
Для достижения равномерного распределения нагрузки между рабочими
витками их число должно быть iв = 1,5 … 2,5. При iв > 2,5 возрастают потери на
трение, для уменьшения которых целесообразно применение двух самостоятельных кругов циркуляции с равными числами витков и шариков. По этой же
причине суммарное число шариков с учетом обводного канала не должно превышать zш = 60. При превышении указанной величины необходимо применение
шариков большего диаметра.
Для изготовления винта и гайки применяются легированные стали типа
20ХНМ; 12Х2Н4А; 20ХГНТР с последующей цементацией рабочих поверхностей на глубину 0,7 … 1,6 мм, имеющие характеристику допускаемых напряжений сжатия по поверхности рабочих поверхностей [σсж] = 850 … 1000 МПа.
2.1.3. Расчет рабочей пары «рейка-зубчатый сектор»
В соединении рассматриваемого типа ведущим элементом может являться рейка (ЗиЛ, КАМАЗ), либо зубчатый сектор, приводимый во вращение валом
рулевого колеса (ВАЗ и ряд импортных конструкций). При этом схема силового
взаимодействия ведущего и ведомого элементов может рассматриваться без
особых изменений для обоих вариантов.
Сочетание рабочих поверхностей рейки и сектора может рассматриваться
в виде элементов зубчатого зацепления, испытывающих напряжения изгиба,
которые, с учетом конусности, обеспечивающей регулировку зазора между
зубьями, могут быть определены по формуле
σ из =
Рок cos β з
,
πbc mн уkпз
(2.19)
где Рок – окружная сила в зоне зацепления на зубьях сектора, Н;
βз – угол конусности зубьев, находящийся в пределах βз = 3 … 5 0;
bс – длина контактной линии зацепления зубьев, м;
mн – нормальный модуль зацепления, м;
у – коэффициент формы зуба, для рассматриваемого случая у = 0,101;
kпз – коэффициент перекрытия зубьев, обычно находящийся в пределах
kпз = 1,1 … 1,2.
20
Рок
rс
Рис. 2.3. Схема к расчёту реечного рулевого механизма
Окружное усилие на зубьях сектора определяется по известным данным
момента на рулевом колесе Мрк, передаточного числа рулевого механизма Uрм и
радиуса делительной окружности зубьев сектора rс по формуле
Рок =
М ркU рм
rс
.
(2.20)
В случае, если в конструкции рулевого механизма размещается усилитель, активным элементом которого является рейка, окружное усилие на секторе определяется с учетом действия дополнительной нагрузки от усилителя по
формуле
Рок =
М ркU рм
rс
+ ρ м Fп ,
(2.21)
где ρм – давление жидкости в системе усилителя при максимальном открытии
золотникового устройства, в существующих конструкциях находящееся на
уровне ρм = 6,5 … 7,0 МПа;
Fп – активная площадь поршня усилителя,
Fп =
π ( Dп2 − d в2 )
4
,
где Dп – наружный диаметр поршня, м;
dв – диаметр винта или штока, м.
В существующих автомобильных конструкциях отечественного производства bс = 32 … 38 мм; mн = 6 или 8 мм; rс = 40 или 60 мм.
21
Для изготовления рейки и сектора применяются стали типа 12ХН3А, 40Х,
25ХГМ с последующей упрочняющей обработкой, имеющие допускаемые напряжения изгиба [σиз] = 250 … 400 МПа.
В конструкции реечных рулевых механизмов с ведущей рейкой зубчатый
сектор обычно выполняется в едином блоке с валом сошки. Вал сошки испытывает нагрузки изгиба и кручения. Нагрузки от изгиба действуют в зоне суммарного сечения сектора и вала, в связи с чем их действие оказывается несущественным и проверка работоспособности вала сошки осуществляется по напряжениям кручения, определяемым по формуле
τ кр =
Рок rс
,
Wвс
(2.22)
где Wвс – полярный момент сопротивления сечения вала сошки, определяемый
по формуле
Wвс =
πd вс
16
,
где dвс – диаметр вала сошки в наименьшем сечении, м.
Допускаемые напряжения кручения для указанных марок сталей находятся на уровне [τкр] = 300 … 350 МПа.
2.2. Рулевой привод
Рулевой привод включает группы деталей, осуществляющих передачу
усилий от вала сошки к управляемым колесам. К элементам рулевого привода
относятся рулевая сошка, рулевые тяги, поворотные рычаги. Передаточное число рулевого привода определяется соотношениями длин его элементов и обычно находится в пределах Uрп = 0,95 … 1,2.
2.2.1. Расчет рулевой сошки
Рулевая сошка выполняется в виде элемента прямоугольного или эллипсного в поперечном сечении профиля, испытывающего напряжения изгиба и
кручения на плече длины шарового пальца.
При повороте рулевой сошки усилие, прикладываемое к шаровому пальцу Рш, определяется отношением момента на валу сошки Мвс к длине сошки lс,
Рш =
М вс
.
lс
(2.23)
Момент на валу сошки может быть определен по величинам момента на
рулевом колесе Мрк и передаточного числа рулевого механизма Uрм,
М вс = М ркU рм ,
22
либо, при совмещении силового цилиндра усилителя с рулевым механизмом
(ЗиЛ, КамАЗ), необходимо учитывать момент от усилителя Мурм,
М вс = М ркU рм + М урм .
ось вала сошки
А
А
А-А
lс
rшп
b
rи
а
dс
dш
Рис. 2.4. Схема к расчету соединения рулевой сошки с шаровым пальцем
В случае, если шток силового цилиндра усилителя действует на шаровый
палец, сопряженный с рулевой сошкой, усилие, прикладываемое к шаровому
пальцу, необходимо определять с учетом максимально возможного усилия на
штоке силового цилиндра усилителя
Рш =
М вс
+ ρ м Fп ,
lс
(2.24)
где ρм – давление жидкости в системе усилителя при максимальном открытии
золотникового устройства, в существующих конструкциях находящееся на
уровне ρм = 6,5 … 7,0 МПа;
Fп – активная площадь поршня усилителя
Напряжения изгиба в зоне наименьшего поперечного сечения рулевой
сошки могут быть определены по формуле
σ из =
Рш lc
,
Wи
(2.25)
где Wи – осевой момент сопротивления сечения рулевой сошки изгибу, м3; для
эллипсного поперечного сечения
23
а 2b
,
Wи =
32
где а и b – соответственно бóльшая и меньшая стороны эллипсного сечения.
Напряжения кручения в материале рулевой сошки
τ кр =
Рш rшп
,
Wкр
(2.26)
где Wкр – полярный момент сопротивления сечения рулевой сошки кручению,
м3; для эллипсного поперечного сечения
аb 2
.
Wкр =
16
В качестве материала рулевой сошки используются стали, обладающие
ударопоглощающей вязкостью типа 40Х, 45А, для которых допускаемые напряжения изгиба и кручения соответственно не должны превышать
[σи] = 500 МПа; [τкр] = 350 МПа.
2.2.2. Расчет шарового пальца
В шарнирных сочленениях рулевой трапеции проектируемого автомобиля
должны использоваться шаровые пальцы одного типоразмера. При этом из всех
шаровых пальцев рулевой трапеции наиболее нагруженным является палец, передающий усилие от рулевой сошки к сочлененной с ним рулевой тягой. Данный палец испытывает напряжения изгиба, смятия и среза. Опасным сечением
для восприятия напряжений изгиба и среза является зона соединения пальца с
сошкой. Напряжениям смятия подвергается шаровая часть пальца.
Для изготовления шаровых пальцев рулевых тяг используются стали типа
20ХНМ, 12ХН3А, 15ХГНТ с последующей упрочняющей термообработкой на
глубину 0,7 … 1,6 мм. Для указанных марок сталей допускаемые напряжения
по указанным видам нагружения составляют: изгиба [σиз] = 400 … 500 МПа;
среза [τср] = 25 … 35 МПа; смятия [σсм] = 35 … 45 МПа.
Расчёт шаровых пальцев в данном случае целесообразно проводить в обратном порядке, когда по известным значениям допускаемых напряжений определяется соответствующий геометрический размер.
С учетом известных допускаемых напряжений по видам нагружений может быть определен диаметр dс стержня пальца.
По напряжениям изгиба
dс = 3
16 Рш rи
.
π [σ из ]
(2.27)
24
По напряжениям среза
4 Рш
.
π [τ ср ]
dс =
(2.28)
Исходя из получаемых по формулам (2.27) и (2.28) значений принимается
наибольшая величина диаметра стержня шарового пальца dс.
Диаметр шаровой части пальца определяется, исходя из восприятия напряжений смятия
4 Рш
.
π [σ см ]
dш =
(2.29)
Проведение расчета остальных пальцев рулевой трапеции нецелесообразно, поскольку они находятся в менее нагруженном состоянии.
2.2.3. Расчет рулевых тяг
Наибольшую нагрузку по передаче усилия от рулевого механизма к
управляемым колесам испытывает рулевая тяга, сочлененная с пальцем рулевой сошки. В грузовых автомобилях таким элементом является продольная рулевая тяга, в легковых автомобилях с независимой подвеской управляемых колес при соединении рулевой сошки со средней частью рулевой трапеции все
рулевые тяги испытывают примерно одинаковую нагрузку. Для изготовления
рулевых тяг используются стали типа 35А; 40Х.
В любом случае рулевая тяга, сочлененная с шаровым пальцем рулевой
сошки, воспринимает напряжения смятия и продольного изгиба от нагружающего усилия Рш.
Напряжения смятия рулевой тяги определяются по формуле
σ см =
Рш
,
Fт
(2.30)
где Fт – площадь поперечного сечения рулевой тяги, для варианта трубчатого
исполнения
Fт =
π ( Dт2 − d т2 )
4
,
где Dт и dт – соответственно наружный и внутренний диаметр трубчатого сечения рулевой тяги.
Критическое напряжение сечения рулевой тяги по продольному изгибу
определяется по формуле
25
σ кр =
π 2 ЕJ т
2
т
l Fт
,
(2.31)
где Е – модуль упругости, для используемых марок сталей Е = 210 ГПа;
lт – длина рулевой тяги, м;
Jт – экваториальный момент инерции поперечного сечения тяги,
Jт =
π ( Dт4 − d т4 )
64
.
Оценка работоспособности рулевой тяги производится по запасу устойчивости согласно отношению
σ кр π 2 ЕJ т
δу =
=
.
σ см
Ршlт2
(2.32)
Для обеспечения требуемого уровня надежности и безопасности работы
рулевой трапеции допускаемое значение запаса устойчивости рулевой тяги составляет [δу] = 1,5 … 2,5.
По формулам (2.29) … (2.32) может быть проведен соответствующий
расчет поворотных рычагов и поворотных цапф.
2.2.4. Кинематические соотношения элементов рулевого привода
Рулевая трапеция должна обеспечивать поворот управляемых колес на
углы, соответствующие радиусам траекторий их качения относительно центра
поворота автомобиля без бокового проскальзывания в площади контакта с дорожной поверхностью. Для обеспечения такого требования при передних
управляемых колесах между углами поворота наружного θн и внутреннего θв,
по отношению к центру поворота, колес, должна соблюдаться зависимость
ctgθ н − ctgθ в =
Втр
L
,
(2.33)
где Втр – расстояние между осями поворота колес или большое основание в
плане рулевой трапеции, м;
L – продольная база автомобиля, м.
Целью кинематического расчета рулевой трапеции является определение
соотношений длин оснований рулевой трапеции Втр и bтр, а также углов наклона
φ поворотных рычагов.
Исходя из схемы, представленной на рис. 2.5, угол наклона поворотного
рычага к большому основанию рулевой трапеции φ можно определить по отношению
26
cos ϕ =
Bтр − bтр
2lр
,
где lр – длина поворотного рычага, м.
Откуда малое основание рулевой трапеции или длина поперечной рулевой тяги
bтр =
1+ 2
Втр
.
lр cos ϕ
(2.34)
lтр
Для удобства расположения рулевой трапеции на автомобиле отношение
lр/bтр должно быть в пределах lр/bтр = 0,12 … 0,16. При этом высота треугольника lтр, образуемого рулевой трапецией, при прямолинейном движении автомобиля, должна составлять величину порядка lтр ≈ 0,7·L. Увеличение длины lтр
сверх указанной величины способствует уменьшению разности углов поворота
управляемых колес θн и θв и, соответственно, уменьшение этой длины вызывает
увеличение такой разности, что в обоих случаях является нежелательной причиной их проскальзывания при криволинейном движении.
В
Втр
φ
φ
lр
L
bтр
lтр
Рис. 2.5. Схема работы рулевой трапеции на автомобиле
Исходя из соотношений равнобедренного треугольника (рис. 2.5) с высотой lтр и основанием Втр, можно графически определить длину поперечной рулевой тяги bтр, согласованную с длиной поворотных рычагов lр и углами их наклона φ.
27
Контрольные вопросы
1. Как определяются статическое и динамическое угловые передаточные
числа рулевого управления?
2. Как определяется угловая жёсткость рулевого управления?
3. Как определяется момент на поворотной цапфе рулевого управления
при повороте автомобиля?
4. Рулевой механизм какого типа имеет переменное передаточное число?
5. Рулевой механизм какого типа обладает меньшей жёсткостью в сравнении с другими типами рулевых механизмов?
6. Рулевой механизм какого типа обладает большей жёсткостью в сравнении с другими типами рулевых механизмов?
7. Как определяется передаточное число рулевого механизма?
8. По каким напряжениям и как осуществляется оценка работоспособности элементов рабочей пары червячного рулевого механизма?
9. По каким напряжениям и как осуществляется оценка работоспособности рабочей пары «винт-шариковая гайка» рулевого механизма?
10. По каким напряжениям и как осуществляется оценка работоспособности элементов рабочей пары реечного рулевого механизма?
11. По каким напряжениям и как осуществляется оценка работоспособности вала рулевой сошки?
12. По каким напряжениям и как осуществляется оценка работоспособности рулевой сошки?
13. По каким напряжениям и как осуществляется оценка работоспособности шаровых пальцев рулевой трапеции?
14. Как определяется диаметр стержня шарового пальца рулевой трапеции?
15. Как определяется диаметр шаровой части шарового пальца рулевой
трапеции?
16. Какой из пальцев рулевой трапеции является наиболее нагруженным?
17. По каким напряжениям и как осуществляется оценка работоспособности рулевой тяги трубчатого поперечного сечения?
18. Как определяется запас устойчивости рулевой тяги?
19. Как определяются кинематические соотношения рулевого привода?
20. Какие напряжения воспринимают поворотные рычаги рулевой трапеции?
21. Какие напряжения воспринимает поперечная тяга рулевой трапеции?
22. Каково назначение рулевой трапеции?
28
3. Тормозное управление
Тормозное управление предназначено для вынужденного замедления автомобиля с требуемой интенсивностью вплоть до полной остановки, а также
обеспечения его неподвижного положения при стоянке. Структура тормозного
управления автомобиля и перечень предъявляемых требований регламентированы ГОСТ 22895-77, согласно которому на автомобиле должно быть четыре
автономно действующих тормозных системы: рабочая, запасная, стояночная и
вспомогательная. Тормозные системы могут иметь общие элементы, но их привод должен обеспечиваться не менее чем двумя независимо действующими органами управления.
3.1. Тормозные системы
Каждая тормозная система должна иметь в своем составе тормозные механизмы, обеспечивающие действие тормозных сил, и тормозной привод, осуществляющий управление тормозными механизмами.
Рабочая тормозная система предназначена для регулируемого уменьшения скорости автомобиля с распространением действия на все колеса при
рациональном распределении тормозных моментов по осям. Процесс торможения автомобиля может рассматриваться в двух рабочих режимах: служебное
торможение с умеренным замедлением и аварийное торможение с максимально
возможным замедлением. При этом регулирование тормозных сил на колесах
должно происходить со следящим действием по усилию на педали управления
рабочей тормозной системы, которая может состоять из нескольких контуров.
Запасная тормозная система предназначена для обеспечения торможения автомобиля в случае отказа рабочей тормозной системы. Согласно требованиям ГОСТ 22895-77 применение запасной тормозной системы не обязательно, если ее функции может выполнять любой другой независимо действующий
контур рабочей тормозной системы или стояночная тормозная система.
Стояночная тормозная система предназначена для удержания автомобиля в неподвижном состоянии при стоянке на уклонах не менее 25 %. При
этом в качестве исполнительных могут использоваться тормозные механизмы
задних колес автомобиля. Усилие на рычаге управления при любом типе привода не должно превышать 400 Н. Согласно требованиям ГОСТ 22895-77 запрещается действие стояночной тормозной системы на органы трансмиссии. В
качестве исполнительных устройств, должны использоваться тормозные механизмы задних колес автомобиля, а для автопоезда – дополнительно колесные
тормоза прицепа.
Вспомогательная тормозная система (или тормоз-замедлитель) предназначена для длительного торможения автомобиля или автопоезда на затяжных
спусках. Средняя величина замедления при этом должна быть в пределах 0,6 …
2,0 м/с2. В качестве исполнительных устройств вспомогательной тормозной
системы могут использоваться элементы гидротрансформатора, а при наличии
29
механической трансмиссии устройства, осуществляющие противодавление в
выпускной системе отработавших газов двигателя путем прикрытия специальной дроссельной заслонки. Одновременно с поворотом такой заслонки прекращается подача топлива в систему питания двигателя.
К тормозным системам предъявляются следующие основные требования.
1.
Наличие возможно высокой эффективности, оцениваемой величинами замедления или тормозного пути.
2.
Обеспечение синхронности действия тормозных механизмов, исключающей разворот автомобиля при торможении.
3.
Наличие возможно меньшего промежутка времени срабатывания
тормозного привода.
4.
Согласование тормозных моментов на колесах с вертикальной нагрузкой, исключающее режим блокировки колес.
5.
Равенство тормозных сил на колесах одной оси, исключающее боковое смещение автомобиля при торможении.
6.
Обеспечение необходимого теплоотвода от тормозных механизмов.
7.
Стабильность сил трения в тормозных механизмах в диапазоне допустимых температур рабочих поверхностей.
8.
Обеспечение надежной защиты пар трения тормозных механизмов
от загрязнения и увлажнения.
9.
Наличие следящего действия в тормозном приводе по усилию на
педали управления.
10. Отсутствие шумового загрязнения окружающей среды при срабатывании тормозных механизмов.
11. Наличие асинхронности действия тормозных контуров звеньев автопоезда, исключающей явление складывания.
12. Автоматическое затормаживание прицепа при отрыве его от тягача.
13. Наличие высокой надёжности, превосходящей надёжность других
агрегатов автомобиля или автопоезда.
В состав тормозной системы входят следующие составные части:
- колесные тормозные механизмы;
- тормозные приводы с органами управления;
- регулирующие устройства.
Порядок расчета тормозной системы включает определение тормозных
моментов на колесах каждой оси автомобиля, на основании которых определяются силы и моменты, действующие в тормозных механизмах, а также характеристики тормозного привода.
Процесс торможения автомобиля сопровождается перераспределением
его массы вперед, что приводит к возрастанию тормозных моментов на передних колесах и уменьшению тормозных моментов на задних колесах. В общем
виде тормозные моменты, прикладываемые к каждому из передних колес Мт1 и
к каждому из задних колес Мт2 могут быть определены по следующим формулам:
30
М т1 =
М т2 =
mа g (b + k ит hg )ϕ x rк
2L
mа g (а − k ит hg )ϕ x rк
2L
;
(3.1)
,
(3.2)
где mа – максимальная разрешенная масса автомобиля, кг;
а и b – расстояния центра масс автомобиля, соответственно, до передней и
задней осей, м;
hg – высота центра масс автомобиля от поверхности дороги, м;
kит – коэффициент интенсивности торможения, учитывающий наличие регулятора тормозных сил; при отсутствии регулятора и антиблокировочных устройств kит = 0,4 … 0,6;
φх – коэффициент сцепления колес с дорогой в продольном направлении в
тормозном режиме;
rк – динамический радиус качения колеса, м;
L – продольная база автомобиля, м.
Вследствие перераспределения подрессоренной массы автомобиля при
торможении вперёд тормозные моменты на передних колёсах всегда превосходят тормозные моменты на задних колёсах.
3.2. Тормозные механизмы
В современных автомобильных конструкциях широкое применение получили фрикционные тормозные механизмы колодочного типа барабанного или
дискового исполнения. Исполнительными элементами тормозного механизма
любого типа являются тормозные накладки и тормозной барабан или диск.
Площадь накладки должна обеспечивать удельное давление на ее поверхности при аварийном режиме торможения не более 1,5 … 2,5 МПа во избежание ее интенсивного износа. Для барабанного тормозного механизма среднее
удельное давление на фрикционную накладку может быть определено по формуле
ρ0 =
Мт
,
nн μbн Rб2 β н
(3.3)
где nн – число накладок в тормозном механизме;
μ – коэффициент трения между накладкой и барабаном, для существующих
конструкций μ = 0,3 … 0,45;
bн – ширина фрикционной накладки, м;
Rб – внутренний радиус тормозного барабана, м;
βн – угол охвата накладки, для существующих конструкций βн = 1,57 …
2,08 рад.
Тормозной момент на колесе Мт зависит от коэффициента трения μ, схемы действия сил в тормозном механизме и его размерных характеристик. В за-
31
висимости от схемы
с
дей
йствия си
ил можно рассматрривать слеедующие четыре тит
па торрмозных механизм
м
ов, исполльзуемых в автомобильных конструккциях.
1 Барабаанный тормозной
1.
й механи
изм с нер
равными
и разжим
мными уссилиями
и на колоодках, пр
ри их раавных перемещен
ниях. В ккачестве разжимно
р
ого
элемен
нта исполльзуется поворотн
ный кулаак или кллиновой разжим. Амплитууда
между нааладкой одразжим
ма колод
док опред
деляется выбором
в
меньшегоо зазора м
о
ной изз колодокк и бараб
баном. Прри вращен
нии бараб
бана в од
дну сторо
ону одна из
колодоок являеттся активвной, исп
пользующ
щей эффеект самоуусиления на осноове
встреч
чного дви
ижения к барабану
б
, другая – пассивн
ной, с поп
путным дввижением
мк
барабаану. Вели
ичина торрмозного момента Мт при этом
э
один
накова каак при дввижении
и автомоб
биля впереед, так и при
п движ
жении назаад.
Рис. 3.1. Схеема к расч
чету тормозного мееханизма с неравными разж
жимными
усилиями на колодкках при равных
р
ихх перемещ
щениях
При указаанном нап
П
правлени
ии действи
ия тормоззного мом
мента Р1 > Р2.
Т
Тормозно
ой моментт для дан
нного тип
па механизма опред
деляется по отнош
шению
( Р1 + Р2 ) μhRб
a − μb
Р1 a − μb
.
=
Р2 a + μb
Мт =
П этом
При
м
.
(3.4)
32
Результирующие нормальные силы, действующие на накладки данного
тормозного механизма, определяются по формулам:
- для активной колодки
- для пассивной колодки
P1h
a − μb ;
Ph
Y2 = 2 .
a + μb
Y1 =
Удельные давления на накладки определяются по формулам:
- на накладку активной колодки
- на накладку пассивной колодки
Y1
Rб bн sin β1 ;
Y2
ρ2 =
Rб bн sin β 2 .
ρ1 =
Коэффициент эффективности данного тормозного механизма, определяемый по формуле
К эт =
Мт
,
( Р1 + Р2 ) Rб
(3.5)
составляет величину порядка Кэт ≈ 0,7.
2. Барабанный тормозной механизм с равными разжимными усилиями на колодках, при их неравных перемещениях. В качестве разжимных
элементов могут использоваться поршни рабочего тормозного цилиндра или
плавающий разжимной кулак. Амплитуда разжима каждой колодки определяется выбором соответствующего зазора между накладкой и барабаном. Так же,
как и в предыдущей схеме, при вращении барабана в одну сторону одна из колодок используется в активном режиме, другая – в пассивном режиме. Как и в
предыдущей схеме, величина тормозного момента Мт не зависит от направления вращения барабана. Однако при этом износ накладки активной колодки
превышает износ накладки пассивной колодки и, соответственно, удельное
давление на накладку активной колодки ρ1 будет превышать удельное давление
на накладку пассивной колодки ρ2, ρ1 > ρ2. Выравнивание износа накладок целесообразно регулировать посредством углов β1 и β2, назначая β1 > β2.
33
Ри
ис. 3.2. Сххема к рассчету торм
мозного механизм
м
ма с равны
ыми разжи
имными
уси
илиями на
н колодкаах при нееравных их
и перемеещениях
При указаанном нап
П
правлени
ии действи
ия тормоззного мом
мента Р1 = Р2 = Р.
Т
Тормозно
ой моментт для дан
нного тип
па механизма опред
деляется по отнош
шению
Мт =
2 Ра
Р μhRб
.
2
2 2 .
a −μ b
(3.6)
Коэффиц
К
циент эфф
фективноссти торм
мозного механизма
м
а, опредееляемый по
формууле (3.5), в данном случае сооставляетт Кэт = 0,88.
Д выраавниванияя результтирующих нормалльных силл на торм
Для
мозных нан
кладкаах Y1 и Y2 целесооб
бразно прринимать β1 > β2.
Д рассм
Для
мотренны
ых типов тормозны
ых механ
низмов с н
несимметтричной нан
грузкоой тормоззных колодок, при
и Y1 ≠ Y2, результтирующиее нормальные силлы,
действвующие на
н наклад
дки сооттветствую
ющих коллодок, моожно опр
ределить по
формуулам:
- для активной
а
колодки
Y1 =
P1h
;
a − μb
- для пассивной
п
й колодки
и
Y2 =
P2 h
.
a + μb
34
С
Соответст
твующим
м образом
м определяяются удеельные даавления:
- на наакладку акктивной колодки
к
- на наакладку пассивной
п
й колодки
и
Y1
;
Rбbн sin β1
Y2
ρ2 =
,
Rб bн sin β 2
ρ1 =
где bн – ширинаа тормозн
ной наклаадки, м.
К
Коэффиц
циент эфф
фективноссти данно
ого тормоозного мееханизма, определяяемый по формулле
К эт =
Мт
,
2 РRб
(7.7)
ичину поррядка Кэт ≈ 0,8.
составвляет вели
3 Бараббанный тормозно
3.
т
ой механ
низм с равными разжимн
ными уссилиями
и на колоодках при
и их нераавных пееремещен
ниях и рааботе обеи
их колодок
в акти
ивном реежиме. Указанный
У
й режим обеспечив
о
вается ин
ндивидуал
льным прриводом к каждоой колодкке соотвеетствующим тормоозным ци
илиндром
м. При этоом
тормоззной мом
мент при движении автомобиля вперед намн
ного превышает тоормозной
й моментт при движ
жении егоо назад, Мтв > Мтн.
Рис. 3.3.
3 Схемаа к расчетту тормозного мехаанизма с двумя акттивными колодкам
ми
п равны
при
ых усилияях и нераавных их перемеще
п
ениях
П указанном нааправлени
При
ии действвия тормоозного моомента Р1 = Р2 = Р,
Р а
также Y1 = Y2 = Y и β1 = β2 = β.
Т
Тормозно
ой моментт для данного мехаанизма
35
Мт =
2 РμhRб
.
а − μb
(3.8)
Результирующие нормальные силы на обеих колодках равны между собой и определяются по формуле
Y=
Ph
a − μb .
Удельные давления на накладки
ρ=
Y
Rб bн sin β
Коэффициент эффективности тормозного механизма, определяемый по
формуле (3.7), в данном случае находится на уровне Кэт = 1,0 … 1,1.
4. Дисковый тормозной механизм с равными сжимающими усилиями
при неравных перемещениях колодок. Величина тормозного момента Мт в
данном случае не зависит от направления вращения тормозного диска. Равные
между собой силы сжатия колодок, Р1 = Р2 = Р, одновременно являются равными между собой нормальными результирующими силами, Y1 = Y2 = Y; при этом
P1 = Y1 = P2 = Y2 = Р.
Р1
Р2
Рис. 3.4. Схема к расчету дискового
тормозного механизма с равными
сжимающими усилиями и неравными
перемещениями
rд
В данном случае силы, сжимающие тормозные колодки, равны между собой, Р1 = Р2 = Р и действуют по одной оси во встречном направлении.
Тормозной момент на вращающемся диске
М т = 2 Рμrд ,
(3.9)
где rд – средний радиус вращения диска по оси действия сил Р1 и Р2.
Коэффициент эффективности рассматриваемого типа тормозного механизма, определяемый по формуле
К эт =
Мт
2Рrд ,
(3.10)
находится на уровне Кэт = 1,0 … 1,1, причем эффективность торможения не зависит от направления вращения диска.
36
3.3. Тормозные приводы
В современных автомобильных конструкциях получили распространение
следующие типы тормозных приводов: механический, гидравлический, пневматический, пневмогидравлический и электропневматический.
Механический привод используется для приведения в действие тормозных механизмов стояночных тормозных систем автомобилей максимальной
разрешенной массы до 3.5 т, а также вспомогательных тормозных систем прицепных звеньев автопоездов. Как указывают авторы [3], в конструкции механического привода следует отдавать предпочтение элементам, работающим на
растяжение и обладающим возможно более высоким коэффициентом жесткости
kж =
sт
,
sф
(3.11)
где sт и sф – теоретическое и фактическое перемещения точки приложения силы
к тормозному рычагу, соответственно, при отсутствии и при наличии упругих
деформаций тормозного привода.
Гидравлический привод используется для приведения в действие тормозных механизмов рабочих тормозных систем автомобилей максимальной разрешенной массы до 10 т. В качестве основных достоинств гидравлического привода рассматривается относительная простота его конструкции, а также малое
время срабатывания порядка 0,05 … 0,1 с.
Пневматический привод используется для приведения в действие тормозных механизмов рабочих тормозных систем автомобилей и автопоездов
максимальной разрешенной массы свыше 10 т. Основным достоинством пневматического тормозного привода является его высокая энергонасыщенность,
позволяющая осуществлять эффективное торможение автомобилей и автопоездов большой массы при соблюдении требуемой последовательности приложения тормозных сил к составным частям. В то же время в качестве недостатка
пневматического привода можно рассматривать его большее в сравнении с гидравлическим приводом время срабатывания, находящееся в пределах 0,2 …
0,4 с.
Пневмогидравлический привод используется для приведения в действие
тормозных механизмов рабочих тормозных систем автомобилей большой массы, конструкция тормозных систем которых должна обеспечивать как высокую
энергонасыщенность, так и малое время срабатывания. Пневмогидравлический
привод включает две составные части: пневматическую, обеспечивающую
функцию управления, и гидравлическую, обеспечивающую исполнительную
роль в силовом воздействии на тормозные механизмы.
Электропневматический привод используется в рабочих тормозных
системах многозвенных автопоездов, в конструкции которых требуется обеспечить длинную цепь срабатывания тормозных механизмов большого числа осей
37
– от хвостовой к начальной. При этом управляющую роль выполняет электрическая часть привода, а пневматическая часть осуществляет исполнительное
воздействие на тормозные механизмы.
В современных конструкциях автомобильных рабочих тормозных систем
наибольшее распространение получили гидравлический и пневматический тормозные приводы многоконтурного исполнения.
3.3.1. Гидравлический привод
Расчет гидравлического привода проводится с целью определения диаметров главного и колесных тормозных цилиндров, усилия, прикладываемого к
тормозной педали и длины ее перемещения, передаточного числа тормозной
педали, силового передаточного числа тормозной системы. Согласно требованиям ОСТ 37.001.016-70 усилие на тормозной педали в режиме аварийного
торможения не должно превышать для легковых автомобилей и автобусов
500 Н, для грузовых автомобилей 700 Н. Максимальное давление жидкости в
тормозных магистралях при этом должно быть не более ρmax = 5 … 10 МПа, где
меньшая величина относится к системам с дисковыми тормозными механизмами.
r1
Р
r2
Р
dг
dк
Рп
Sп
Рис. 3.5. Расчетная схема гидравлического привода
В режиме служебного торможения давление в тормозных магистралях
должно находиться на уровне ρсл = 2 … 3 МПа. Исходя из этого, диаметр колесного цилиндра (или его части, приходящейся на одну тормозную колодку)
может быть определен по выражению
dк =
4Р
πρ max
,
(3.12)
где Р – усилие, действующее от поршня тормозного цилиндра на тормозную
колодку, Н, определяемое в зависимости от величины тормозного момента и
типа тормозного механизма по формулам (3.4) … (3.9).
38
Для определения передаточного числа привода имеет значение как число
колесных тормозных цилиндров, так и отношение их диаметров. В существующих конструкциях это отношение находится в пределах:
dк
= 0,9...1,2;
- для барабанных тормозных механизмов
dг
dк
= 1,6...2,5.
- для дисковых тормозных механизмов
dг
При этом передаточное число педали, определяемое по отношению
Uп =
r2
r1 ,
(3.13)
для существующих конструкций обычно находится в пределах Uп = 4,5 … 5,2.
Исходя из этого, максимальное усилие, прикладываемое к тормозной педали при аварийном торможении,
Рп max
πd г2 ρ max
,
=
4U пηг
(3.14)
где ηг – КПД гидропривода, обычно находящийся в пределах ηг = 0,85 … 0,95.
В случае если величина Рпmax превышает указанные ранее нормативные
значения, в систему необходимо вводить усилитель.
Силовое передаточное число гидравлического привода определяется по
отношению
U сг =
Рnкп
,
Рп max
(3.15)
где nкп – количество поршней колесных тормозных механизмов в системе.
В существующих конструкциях величина силового передаточного числа
гидропривода обычно находится в пределах Uсг = 30 … 50.
Согласно требованиям ОСТ 37.001.016-70 полный ход тормозной педали
должен находиться в пределах Sп = 0,17 … 0,2 м. При этом рабочий ход педали
тормоза не должен превышать Sр = 0,07 … 0,1 м и может быть определен в виде
суммы
S р = S1 + S 2 + S3 ,
(3.16)
где S1 – ход педали, необходимый для выбора зазоров в деталях тормозного
привода и тормозных механизмах, м;
S2 – ход педали, учитывающий деформацию тормозного привода и деталей
тормозного механизма, обычно находящийся в пределах S2 = 0,07·S1;
S3 – ход педали, необходимый для компенсации теплового расширения исполнительных элементов тормозных механизмов. Для барабанных и ленточных
тормозных механизмов S3 = 0,02·S1; для дисковых тормозных механизмов
S3 = - 0,01·S1.
39
Ход педали, необходимый для выбора зазоров в тормозном приводе и
тормозных механизмах, может быть определен по формуле
nкп
S1 = U п (δ шп + δ хп ) + U п ∑ U ггδ кх ,
1
(3.17)
где δшп – зазор между штоком и поршнем главного тормозного цилиндра, необходимый для полного растормаживания автомобиля и обычно находящийся в
пределах δшп = 1,0 … 1,5 мм;
δхп – холостой ход поршня главного тормозного цилиндра до перекрытия
компенсационного канала, обычно находящийся в пределах δхп = 1,1 … 1,3 мм;
nкп – количество поршней колесных тормозных механизмов в системе;
δкх – холостой ход поршня колесного тормозного цилиндра, соответствующий выбору зазора между тормозной накладкой и барабаном или диском,
обычно находящийся в пределах для барабанных тормозных механизмов δкх = 2
… 3 мм, для дисковых тормозных механизмов δкх = 0,2 … 0,3 мм;
Uгг – геометрическое передаточное число тормозного привода, определяемое по отношению
d к2
U гг = 2 .
dг
(3.18)
3.3.2. Пневматический привод
Исходными данными для расчета пневматического тормозного привода
являются силы Р1 и Р2, разжимающие тормозные колодки колесных тормозных
механизмов, по величинам которых определяется усилие Рш на штоке тормозной камеры.
Согласно схеме рис. 3.6 для работы тормозного механизма в режиме аварийного торможения автомобиля
( Р1 + Р2 )rк = Рш maxlрηкп ,
откуда
Рш max =
( Р1 + Р2 )rк Р1 + Р2
=
,
lрηкп
U скηкп
(3.19)
где lр – длина рычага, соединяющего вал разжимного кулака со штоком тормозной камеры, м;
rк – плечо действия сил Р1 и Р2 относительно оси вращения вала разжимного
кулака, м;
ηкп – КПД механизма привода разжимного кулака;
Uск – кинематическое передаточное число кулачкового привода колодок,
определяемое по отношению
40
U ск =
lр
rк
.
(3.20)
Рш
rк
Dм
lр
dм
Р1
ρв
Р2
Рис. 3.6. Расчетная схема действия сил на элементы тормозного механизма
с пневматическим приводом
Кинематическое передаточное число привода Uск зависит от профиля
разжимного кулака, угла его поворота и, в общем случае, является переменной
величиной. На величину усилия на штоке тормозной камеры Рш кроме разжимных сил Р1 и Р2 оказывают влияние силы трения между рабочими поверхностями кулака и колодок, а также силы трения в опорах вала кулака и шарнире штока. Учет действия таких сил целесообразно осуществлять по величине КПД механизма привода разжимного кулака, в существующих конструкциях находящегося в пределах ηкп = 0,75 … 0,80. Действие силовых факторов вызывает соответствующие деформации деталей привода и тормозного механизма, что
приводит к уменьшению кинематического передаточного числа привода. В существующих конструкциях с учетом действия силового нагружения кинематическое передаточное число привода обычно находится в пределах Uск = 6,5 …
7,2.
По величинам усилия на штоке Ршmax и давления воздуха в тормозной камере в режиме аварийного торможения автомобиля ρвmax можно определить активную площадь мембраны тормозной камеры
Fм =
Рш max
ρ в max
=
π ( Dм2 + Dм d м + d м2 )
12
,
(3.21)
где dм – внутренний диаметр рабочей части мембраны или диаметр тарелки
штока, в существующих конструкциях находящийся в пределах dм = 0,06 …
0,08 м;
Dм – наружный диаметр рабочей части мембраны;
41
ρвmax – максимальное расчетное давление воздуха, подаваемое в тормозную
камеру в режиме аварийного торможения автомобиля, для существующих конструкций находящееся в пределах ρвmax = 0,65 … 1,0 МПа.
Рабочий объем одной тормозной камеры при полном выдвижении ее штока без
учета изменения формы поверхности мембраны
υтк = Fмlш ,
(3.22)
где lш – длина хода штока тормозной камеры, соответствующая максимальной
величине износа тормозных накладок, для существующих конструкций обычно
находящаяся в пределах lш = 0,035 … 0,04 м.
Объём сжатого воздуха, расходуемый при однократном режиме аварийного торможения, может быть определен в виде суммы рабочего объема всех
тормозных камер, участвующих в торможении автомобиля или автопоезда и
объема магистральных воздухопроводов υм от тормозного крана до тормозных
камер,
υ т = υ тк nтк + υ м ,
(3.23)
где nтк – количество тормозных камер, участвующих в торможении автомобиля
или автопоезда.
Временной расход сжатого воздуха зависит от частоты пользования тормозной системой и в общем случае может быть определен по формуле
υв = υ т f т ,
(3.24)
где fт – частота срабатывания тормозной системы в единицу времени.
Величина fт зависит от режима транспортной работы и обычно находится
в пределах: для городского цикла fт = 0,8 … 1,4 мин-1; для дорожного режима
fт = 0,1 … 0,3 мин-1.
При наличии на автомобиле или автопоезде других потребителей сжатого
воздуха, а также с учетом возможных его утечек, проектная производительность компрессора должна быть в 5 … 6 раз больше теоретической величины
расхода сжатого воздуха в единицу времени,
υк = (5...6)υ т .
(3.25)
В то же время производительность компрессора определяется параметрами его цилиндров и скоростным режимом работы согласно формуле
υк =
πd ц2 zц sп nквηп
4000
,
(3.26)
где dц – диаметр цилиндра, обычно находящийся в пределах dц = 4 … 5 см;
zц – число цилиндров компрессора;
sп – ход поршня, обычно находящийся в пределах sп = 3,6 … 4,0 см;
nкв – частота вращения коленчатого вала компрессора, мин-1;
ηп – коэффициент подачи сжатого воздуха, учитывающий утечки между
поршнями и цилиндрами, обычно находящийся в пределах ηп = 0,7 … 0,8.
42
Существующие типы компрессоров при частоте вращения коленчатого
вала nкв = 800 … 1000 мин-1 в зависимости от разновидности конструктивного
исполнения обладают производительностью υк = 60 … 400 л/мин.
3.4. Оценочные характеристики тормозных систем
Оценка эффективности работы тормозных систем обычно производится
по следующим характеристикам, определяемым для режима аварийного торможения: тормозному пути и замедлению, нагреву исполнительных элементов
и удельной работе трения тормозных механизмов.
Тормозной путь автомобиля или автопоезда обычно определяется по
формуле
Lт =
К дVа2
254 К этϕ х
,
(3.27)
где Кд – коэффициент учёта дорожных условий; для горизонтальной дороги при
отсутствии ветра Кд = 1;
Кэт- коэффициент эффективности тормозных механизмов;
Vа – скорость автомобиля в момент начала торможения, км/ч;
φх – коэффициент сцепления колес с дорогой в продольном направлении в
тормозном режиме.
Из формулы (3.27) видно, что основным фактором, определяющим величину тормозного пути, является скорость автомобиля. Коэффициент сцепления
колес с дорогой зависит от состояния дорожной поверхности и может находиться в пределах φх = 0,1 … 0,7. Коэффициент эффективности тормозных механизмов зависит от типа тормозных механизмов, наличием прицепного звена и
обычно находится в пределах Кэт = 0,7 … 1,2. Большее значение при этом относится к легковым одиночным автомобилям с дисковыми тормозными механизмами и автобусам на их базе, меньшее – к многозвенным автопоездам. При значениях коэффициента сцепления φх < 0,4 в расчетах рекомендуется [9] принимать коэффициент эффективности торможения равным единице, Кэт = 1, поскольку процесс торможения идёт в режиме, близком к блокировке колёс.
Замедление автомобиля или автопоезда jз при торможении в установившемся режиме прямо пропорционально суммарной тормозной силе на его колесах, определяемой коэффициентом сцепления, согласно формуле
jз = K этϕ х g ,
2
(3.28)
где g – ускорение земного притяжения, g = 9,81 м/с .
Величины тормозного пути и установившегося замедления используются в качестве нормативных при оценке работоспособности тормозных систем.
Нагрев исполнительных элементов колесных тормозных механизмов –
барабанов или дисков может допускаться до определенных пределов, при превышении которых происходит резкое снижение тормозных сил. При принятии
допущения о равноэффективном действии тормозных механизмов на всех коле-
43
сах автомобиля или автопоезда, прирост температуры ΔТ каждого тормозного
барабана или диска относительно температуры окружающей среды может быть
определен по формуле
mаVa2
ΔТ =
,
2∑ mб сб
(3.29)
где mа – максимальная разрешенная масса автомобиля или автопоезда, кг;
Va – скорость автомобиля или автопоезда в начале торможения, м/с;
Σmб – суммарная масса исполнительных элементов тормозных механизмов
– барабанов или дисков, кг;
сб – удельная теплоемкость материала тормозных барабанов или дисков, для
стальных и чугунных деталей составляющая сб = 482 Дж/кг·0К.
Допустимой величиной считается нагрев каждого тормозного барабана
или диска при аварийном торможении автомобиля или автопоезда со скорости
Vа = 8,35 м/с (30 км/ч) до полной остановки на ΔТ = 150.
Удельная работа трения, совершаемая при торможении максимально
загруженного автомобиля или автопоезда от максимальной скорости до полной
остановки, служит оценочным показателем износостойкости тормозных механизмов. Определение удельной работы трения производится по отношению
энергии, затрачиваемой на торможение автомобиля или автопоезда Wт, к суммарной площади тормозных накладок ΣFтр
maVa2max
Wт
Lтр =
=
,
∑ Fтр ∑ Fтр
(3.30)
где Vamax – максимальная конструктивная скорость автомобиля или автопоезда,
м/с.
Площадь трения одной фрикционной накладки барабанного тормозного
механизма может быть определена по формуле
Fтр = Rб β нbн ,
где Rб – радиус тормозного барабана, м;
βн – угол охвата накладки, рад;
bн – ширина накладки, м.
Допустимая величина удельной работы трения составляет для грузовых
автомобилей [Lтр] = 600 … 800 Дж/см2 и для легковых автомобилей
[Lтр] = 1000 … 1500 Дж/см2.
В практике транспортной работы автомобиля достижение равной эффективности действия всех колесных тормозных механизмов затруднительно из-за
перераспределения подрессоренной массы вперед, а также неодинаковой загрузки колес одной оси. В результате действия таких факторов при торможении
наблюдается блокировка некоторых колес или колес одной оси. Перераспределение подрессоренной массы автомобиля вперед снижает вертикальную нагрузку на задние колеса и способствует преждевременной их блокировке, что
способствует увеличению тормозного пути и снижению замедления. Для пре-
44
дупреждения блокировки колес используются устройства, регулирующие тормозные силы на колесах в зависимости от вертикальной нагрузки, и антиблокировочные устройства.
3.5. Регулирование и коррекция тормозных сил
Максимальная касательная тормозная сила на каждом из колес Рτmax в общем случае прямо пропорциональна вертикальной нагрузке на колесо Q при
постоянной величине коэффициента сцепления в продольном направлении φх,
Рτ max = Qϕ x .
(3.31)
При этом касательная сила, определяемая величиной тормозного момента
на колесе, определяется как отношение тормозного момента Мт к радиусу качения колеса rк
Рт =
Мт
.
rк
(3.32)
При реализации возможности сцепных сил с дорогой, когда происходит
Рт > Рτmax, наступает режим блокировки колеса. Торможение автомобиля, сопровождаемое блокировкой некоторых колес, сопровождается рядом нежелательных явлений в виде увеличения тормозного пути, возникновения бокового
заноса, складывания звеньев автопоезда. Для уменьшения вероятности возникновения или исключения блокировки колес, вызываемой изменением вертикальной нагрузки на колеса одной оси, на автомобилях и автопоездах применяются специальные регулирующие и корректирующие механизмы. Основным
направлением действия таких механизмов являются:
- регуляторы, перераспределяющие тормозные моменты по отдельным
осям автомобиля или автопоезда в зависимости от степени загруженности таких осей;
- антиблокировочные системы, исключающие блокировку колес при торможении.
Как известно, торможение автомобиля или звеньев автопоезда сопровождается перераспределением подрессоренных масс вперед, в результате чего
возрастают вертикальные нагрузки на передние оси и снижаются - на задние.
Отсюда следует, что для достижения максимальной эффективности торможения необходимо приложение к передним колесам большего тормозного момента, а для уменьшения вероятности заноса колес задней оси требуется некоторое
уменьшение прикладываемого к ним тормозного момента.
Регуляторы тормозных сил устанавливаются в контуры привода тормозных механизмов автомобилей и прицепных звеньев автопоездов. Назначением
регулятора любого типа является снижение давления жидкости или сжатого
воздуха в тормозном контуре при уменьшении нагрузки на данную ось. Наибольшее распространение получили регуляторы тормозных сил лучевого типа с
линейной характеристикой.
45
ρвх
Рис. 3.7. Схема расположения
регулятора
тормозных
сил
автомобиле
на
ρвых
fп
рычаг
Корпус регулятора связан с подрессоренной массой, а конец рычага – с
мостом. Управляющим элементом регулятора является его рычаг, положение
которого зависит от деформации подвески fп. В зависимости от положения рычага изменяется соотношение величин ρвх и ρвых давлений рабочей среды соответственно на входе в регулятор и на выходе из регулятора. Отношение этих
величин определяет коэффициент модуляции давлений [9]
Сρ =
ρ вх
.
ρ вых
(3.33)
Данный коэффициент является функцией хода подвески fп или угла поворота рычага регулятора. Схема рис. 3.7 и формула (3.33) одинаково справедливы для тормозной системы как с гидроприводом, так и для системы с пневмоприводом, поскольку отличие присутствует только в величинах, передаваемых
регулятором давлений. Упругая статическая характеристика регулятора представляет собой зависимость выходного давления рабочей среды или коэффициента модуляции давлений от хода fп подвески в диапазоне от снаряженного состояния до состояния полной нагрузки. При этом сопротивление регулятора
тем больше, чем меньше деформация подвески
Сρ
3
2
1
0
50
100
150
200
250 fп, мм
Рис. 3.8 Примерный вид статической характеристики
регулятора тормозных сил
46
Наличие регулятора тормозных сил, обеспечивающего перераспределение тормозных моментов между осями, не может обеспечить максимальной интенсивности торможения и полностью исключить блокировку колес при торможении из-за изменения коэффициентов сцепления на разных колесах. Для
полного исключения блокировки колес необходимо, чтобы величина касательной тормозной силы на каждом колесе Рт не превышала максимальную величину касательной силы Рτmax по условию сцепления колеса с дорогой, Рт ≤ Рτmax.
Так как водитель не может точно дозировать распределение тормозных
сил по колесам автомобиля, рассматриваемая задача может быть решена путем
использования специальной антиблокировочной системы, автоматически поддерживающей величину тормозных сил на колесах на максимальном уровне,
соответствующем началу, но не продолжению их блокировки. В современных
условиях получила распространение антиблокировочная система с пульсирующим изменением касательных тормозных сил в диапазоне от Рτmax в начале блокировки до Рτmin в конце блокировки.
Чувствительным элементом представленной на рис. 3.8 антиблокировочной
системы является расположенный на колесе 1 тахогенератор 2 с линейной зависимостью выходного напряжения от частоты вращения колеса. При вращении
колеса тахогенератор выдает управляющий сигнал, который посредством интерфейса 3 преобразуется в цифровой код и поступает на вход управляющего
устройства 4, которое в этом случае не выдает никакого корректирующего сигнала на исполнительный регулятор давления 5 в контуре торможения колеса. В
этом случае давление рабочей среды, поступающее к колесным тормозным механизмам, равно давлению на входе в регулятор, ρвых = ρвх.
ρвх
ρвых
5
1
2
3
4
Рис. 3.9. Функциональная схема действия антиблокировочной системы:
1 – колесо; 2 – тахогенератор; 3 – интерфейс; 4 – управляющее устройство;
5 – исполнительное устройство
В случае блокировки колеса электрический сигнал тахогенератора становится равным нулю. При этом управляющее устройство 4 выдает исполнительному регулятору 5 сигнал на снижение давления рабочей среды в магистрали
торможения колеса. Выходное давление ρвых начинает снижаться, соответственно начинает уменьшаться тормозной момент на колесе и, как только колесо
разблокируется, тахогенератор 2 начнет выдавать сигнал на прекращение ограничения выходного давления в тормозной магистрали. Повышение выходного
47
давления ρвых снова вызовет блокировку колеса, в результате чего процесс
пульсирующего изменения тормозной силы будет продолжаться с частотой 6 …
12 Гц. Для достижения максимальной эффективности торможения автомобиля
необходимо в каждом конкретном случае согласование величин коэффициента
сцепления, скорости изменения выходного давления и частоты срабатывания
системы. В любом случае при срабатывании системы желателен как можно
меньший диапазон изменения выходного давления Δρвых = ρвыхmax – ρвыхmin.
Применение антиблокировочных систем в автомобильных тормозных
контурах требует использования приборов компьютерного управления. Однако
рост требований по повышению безопасности движения во многих государствах предопределило в законодательном порядке наличие антиблокировочных
систем в конструкции тормозных контуров всех колёс на автомобилях. Такое
решение позволяет сократить длину тормозного пути при торможении на
скользкой дороге на 10 … 12 % при соответствующем улучшении управляемости и устойчивости в режиме торможения.
Контрольные вопросы
1. Какое минимальное количество независимых тормозных систем должно быть на современном автомобиле по условиям его безопасной эксплуатации?
2. Чем характеризуются режимы «служебного» и «аварийного» торможения автомобиля?
3. Как определяются тормозные моменты на передней и задней осях автомобиля?
4. Какие типы тормозных механизмов применяются на современных автомобилях и автопоездах?
5. Как осуществляется оценка работоспособности барабанного тормозного механизма с неравными разжимными усилиями и равным перемещением колодок?
6. Как осуществляется оценка работоспособности барабанного тормозного механизма с равными разжимными усилиями и неравным перемещением колодок?
7. Как осуществляется оценка работоспособности барабанного тормозного механизма с равными разжимными усилиями и работе обеих колодок в активном режиме?
8. Как осуществляется оценка работоспособности дискового тормозного
механизма?
9. Как определяется и что характеризует коэффициент эффективности
тормозного механизма?
10. Как определяется максимальное усилие на тормозной педали при наличии гидравлического тормозного привода?
48
11. Как определяется силовое передаточное число гидравлического тормозного привода?
12. Как определяется максимальное усилие на штоке тормозной камеры
пневматической тормозной системы?
13. Как определяется производительность компрессора пневматической
тормозной системы?
14. Как определяется тормозной путь автомобиля?
15. Как определяется замедление автомобиля при торможении?
16. Как определяется нагрев исполнительных элементов тормозных механизмов при торможении автомобиля?
17. Как определяется удельная работа трения тормозных механизмов при
торможении автомобиля?
18. Каково назначение регулятора тормозных сил в автомобиле?
19. Как осуществляется рабочий процесс антиблокировочной системы автомобиля?
20. Как определяется коэффициент модуляции давления в гидравлической тормозной системе автомобиля с АБС?
49
4. Несущие системы
В современных автомобильных конструкциях несущая система, выполняющая роль базового элемента, может быть выполнена в виде грузонесущей
рамы, грузонесущего кузова или рамы, объединенной с кузовом. Относительно
базового элемента производится монтаж всех составных агрегатов и узлов автомобиля. Несущая система воспринимает все нагрузки, действующие на автомобиль в эксплуатации, а также нагрузки от тягово-сцепного или опорносцепного устройств при движении в составе автопоезда. В общем случае к автомобильным несущим системам предъявляется следующий ряд требований:
- наличие надлежащей жесткости, обеспечивающей работоспособность агрегатов и узлов автомобиля в установленном диапазоне нагрузочных условий;
- обеспечение высокой надежности при минимально возможной массе;
- соответствие формы условиям удобства доступа к агрегатам и узлам при
монтаже и техническом обслуживании.
В настоящее время конструкция грузовых автомобилей базируется на использовании систем с несущими рамами. В конструкции легковых автомобилей
и автобусов малого класса большее предпочтение отдается системам с несущими кузовами. В конструкции автобусов среднего и большого классов преобладающими являются комбинированные системы с долевым распределением нагрузок между кузовом и рамой.
В условиях движения на несущую систему автомобиля действуют переменные динамические нагрузки, вызывающие изменение опорных реакций в
точках крепления подвесок колес. Для оценки прочности несущей системы
обычно рассматриваются следующие два режима нагружения.
Первый режим: движение с большой скоростью по волнистой дороге с
небольшой амплитудой неровностей. При этом подрессоренная масса автомобиля испытывает вертикальные колебания, и на элементы несущей системы
действуют пульсирующие динамические нагрузки Qj, которые могут быть выражены через статические нагрузки Qi
Q j = Qi kд ,
(4.1)
где kд – коэффициент динамичности нагружения, определяемый по отношению
вертикального ускорения ji в точке приложения динамической нагрузки к ускорению Земного притяжения g,
kд =
ji
.
g
Если принять допущение о симметрии действия динамических нагрузок,
то можно рассматривать работу несущих элементов на изгиб.
Второй режим: преодоление больших неровностей, когда на одной оси
или на одной стороне автомобиля одно колесо воспринимает полную нагрузку,
а другое вывешено и не несет нагрузки. В таком случае распределение опорных
50
реакций на колесах принимает несимметричную форму и элементы несущей
системы испытывают напряжения кручения. Момент, закручивающий несущую
систему
М кр = Срγ р ,
(4.2)
где Ср – угловая жесткость несущей системы, Нм/рад;
γр – угол закручивания несущей системы, рад.
4.1. Автомобильные рамы
В конструкции грузового автомобиля масса рамы составляет 10 … 15 %
от снаряженной массы автомобиля. Соединения составных элементов автомобильных рам обычно выполняются посредством заклепок. При отсутствии ослабления заклепки испытывают напряжения среза. В случае ослабления заклепки начинают работать на изгиб с последующим усталостным разрушением.
Рамы прицепов и полуприцепов обычно выполняются посредством сварных соединений из штампованных, гнутых и прокатанных профилей. Для упрочнения зоны сварных швов применяется чеканка, местное пластическое обжатие или термообработка концов сварных швов для снижения концентрации
напряжений.
Рама с периферийными лонжеронами при установке кузова располагается
на уровне порогов дверей. Это повышает жесткость рамы при восприятии боковых нагрузок.
Для снижения центра масс автомобиля и уровня пола кузова лонжероны
выполняются с изгибами в местах расположения над мостами. Необходимую
жесткость рамы в вертикальной продольной плоскости создают продольные
лонжероны, воспринимающие изгибающие моменты. Для их изготовления
применяются высокие открытые или закрытые профили, имеющие большой экваториальный момент сопротивления поперечного сечения.
При перекосах рамы на ее лонжероны и поперечины действуют крутящие
моменты, распределяемые между этими элементами прямо пропорционально
их полярным моментам сопротивления сечения и обратно пропорционально их
длинам. В связи с этим основную роль по обеспечению угловой жесткости рамы обеспечивают поперечины, выполняемые из открытых коробчатых или закрытых трубчатых профилей, имеющих большой полярный момент сопротивления сечения.
В современных условиях преимущественное распространение получили
лонжероны открытого профиля в виде швеллера с расположенными внутрь
полками. Такой профиль имеет высокую жесткость по сопротивлению изгибу и
малую жесткость по сопротивлению кручению. Требуемая жесткость по сопротивлению кручению достигается применением для основных поперечин закрытых профилей. Поперечины, используемые в качестве опор для двигателя и
других агрегатов, выполняются в виде открытых профилей с приданием формы,
удобной для размещения и доступа к агрегатам. Для снижения материалоемкости рамы и достижения поэлементной равнопрочности профили лонжеронов
51
выполняются с переменным поперечным сечением в соответствии с характеристикой распределения изгибающих и крутящих моментов по длине рамы. С
этой же целью могут применяться и поперечины переменного сечения.
1
2
3
4
Рис. 4.1. Конструктивные схемы автомобильных рам:
1 – с периферийными лонжеронами; 2 – с Х - образными лонжеронами;
3 – лестничного типа; 4 – хребтового типа
Для увеличения сопротивления рамы продольному сдвигу лонжеронов в
местах присоединения поперечин могут применяться различного рода усилители сечения в виде раскосов или косынок. При угловых деформациях рамы они
работают на изгиб и кручение, повышая ее угловую жёсткость.
Для обеспечения достаточных углов поворота передних управляемых колес ширина рамы в передней части должна быть меньше, чем в задней. Увеличение ширины рамы в задней части целесообразно по удобству монтажа кузова
и повышения сопротивления подвески боковому крену подрессоренной массы.
Оценка прочности составных элементов рамы осуществляется по напряжениям изгиба и кручения. При допущении об отсутствии взаимных межэлементных деформаций внутри рамы для тонкостенных стержневых элементов
авторы [3] считают возможным определение сложных нормальных напряжений
σ в виде суммы напряжений от изгиба σиз и стесненного кручения σск,
σ = σ из + σ ск .
(4.3)
При этом напряжения изгиба
σ из =
М из
,
Wиз
(4.4)
где Миз – изгибающий момент, действующий в зоне опасного сечения стержня,
Нм;
Wиз – экваториальный момент сопротивления сечения, м3.
52
Напряжения стесненного кручения для стержней открытого профиля
можно определить по формуле
σ ск =
kик Eγ р Fик
Ll
,
(4.5)
где Е – модуль упругости материала при изгибе, Е = 210 ГПа;
γр – угол закручивания рамы, рад;
Fик – обобщенная секториальная площадь сечения стержня, м2;
L – расстояние между опорными точками продольного лонжерона, м;
l – длина поперечины, м;
kик – коэффициент изгибно-крутильной характеристики стержня, определяемый по формуле
uGJкр
kик =
ЕJ ик
,
(4.6)
где u – коэффициент искажения сечения;
G – модуль упругости материала сечения стержня при кручении,
G = 85 ГПа;
Jкр – секториальный момент инерции сечения стержня, м4;
Jик – приведенный секториальный момент инерции стержня, м4.
В конструкции автомобильных рам используются различного вида профили, исходя из формы которых определяются характеристики их сечений с
учетом толщины δ:
- экваториальные моменты инерции Jиз и сопротивления сечения Wиз;
- полярные моменты инерции Jкр и сопротивления сечения Wкр.
Для профиля прямоугольного поперечного сечения
h
h
=2;
b
b
J из =
Рис.4.2. Схема профиля
δh 2 ( h + 3b)
6
;
Wиз =
δh(h + 3b)
3
;
(4.7)
2δh 2b 2
J кр =
;
h+b
Wкр = 2δbh.
53
Для профиля швеллерного поперечного сечения
h = (2.5 … 3.5)b
h
Рис. 4.3. Схема профиля лонжерона
b
J из =
δh 2
12
Wиз =
(h + 6b);
δh
6
(h + 6b);
(4.8)
1,12δ 2 (h + 2b)
J кр =
;
3
Wкр =
δ 2 (h + 2b)
3
.
Для профиля круглого поперечного сечения
r
Рис. 4.4. Схема круглого профиля
J из = πδr 3 ;
Wиз = πδr 2 ;
(4.9)
J кр = 2πδr ;
3
Wкр = 2πδr 2 .
При расчете на изгиб рама может быть представлена в виде плоской
стержневой системы, нагруженной сосредоточенными силами. Криволинейность отдельных стержней может не учитываться. Расчет проводится для одного лонжерона при действии половины нагрузки для всей рамы. Сила тяжести
самой рамы учитывается путем разбивки на участки, сила тяжести которых
принимается в виде сосредоточенной нагрузки, приложенной к центру участка.
По величине вертикальных нагрузок, действующих на раму, определяются
опорные реакции. Каждый лонжерон может рассматриваться в виде балки, расположенной на опорах в местах крепления упругих и направляющих элементов
подвески.
Для изготовления автомобильных рам применяются низколегированные
стали типа 20кп; 14Г2; 12ГС (КрАЗ); 10ХСНД (Урал); 15ХЮТ (КамАЗ); 19ХГС
(МАЗ). Фирма Ford для изготовления продольных лонжеронов использует сталь
VAN-80 с последующей термообработкой [9].
Допускаемые напряжения изгиба, которые не должны превышаться при
определении напряжений по формуле (4.4), в значительной мере определяются
54
формой профиля, свойствами материала и в общем случае для используемых
марок сталей находятся в пределах [σиз] = 480 … 600 МПа. При этом предел текучести [σт] = 360 … 440 МПа. Однако при проектировании автомобильных рам
необходимо учитывать, что указанные показатели не являются исчерпывающими характеристиками. Как указывается в специальной литературе [9], применяемые для автомобильных рам стали должны обладать следующими свойствами:
- отношением предела текучести к пределу прочности не менее 0,8;
- пределом усталости при изгибе не менее 360 МПа;
-ударной вязкостью при температуре – 60 0С не менее 0,6 МПа;
- твердостью НRc = 28 … 33.
4.2. Автомобильные кузова
Несущий кузов представляет собой тонкостенную коробчатую оболочку с
дверными и оконными проемами. В транспортной работе автомобиля кузов
воспринимает изгибающие нагрузки от тяжести груза и собственной массы, нагрузки кручения при боковом крене и перекосах осей, инерционные нагрузки
при разгонах и торможениях, пульсирующие нагрузки от собственных колебаний.
Кузов легкового автомобиля должен обладать комплексом эстетических и
эргономических свойств, обеспечивающих максимально возможный комфорт
водителю и пассажирам, включая удобство входа и выхода, доступность к приборам и органам управления, хорошую обзорность, защищенность от различного рода вибраций и шумов. Кроме этого, исходя из требований тяговой динамики и топливной экономичности, внешняя форма кузова должна иметь минимально возможный коэффициент аэродинамического сопротивления сх, определяемый как отношение силы сопротивления встречного потока воздуха Рв(Fа)
автомобиля с данной характеристикой фронтальной площади (Fа) к силе сопротивления воздушного потока Рв(Fп) плоской поверхности той же площади при
той же скорости движения,
сх =
Рв ( Fа )
.
Рв ( Fп )
(4.10)
В качестве основных требований, предъявляемых к системе кузова, рассматривается обеспечение пассивной и послеаварийной безопасности в виде
комплекса конструктивных мероприятий, способствующих возможно меньшей
тяжести последствий при дорожно-транспортных происшествиях и облегчению
извлечения пострадавших из деформированного кузова.
Кузов может быть представлен в виде системы, состоящей из двух частей:
верхней - полезно используемого пространства и нижней - основания, включающего панель пола и базу для крепления силового агрегата и подвески. Соединение верхней и нижней частей кузова может быть в вариантах неразборного сварного или разборного болтового соединения. Основными элементами
55
верхней части кузова являются несущий каркас и облицовочная панель. В зависимости от выполнения облицовочными панелями или наружными оболочками
несущих функций кузова разделяются [9] на каркасные, скелетные и оболочковые.
Каркасный кузов представляет собой несущий каркас сварной конструкции, выполненный из стержней закрытого или открытого коробчатого профиля,
к которому посредством резьбовых соединений крепятся наружные оболочки
из легких сплавов или пластмасс.
Скелетный кузов представляет собой закрытую конструкцию каркаса,
соединенного посредством точечной или мелкошовной сварки с наружной оболочкой, несущей вместе с каркасом часть общей нагрузки. Данная схема не допускает применения разных материалов для каркаса и оболочки.
Оболочковый кузов представляет собой закрытую сварную конструкцию
из двух параллельно несущих нагрузку внутренней и наружной оболочек. Оболочки выполняются из больших штамповок с малой кривизной и соединительными фланцами, позволяющими соединять части оболочек посредством точечной или электродуговой сварки.
Основание несущего кузова представляет собой сварное соединение металлического листа с продольными и поперечными балками, принимающими
часть нагрузки на кузов. В большинстве случаев используются балки закрытого
коробчатого профиля, располагаемые симметрично продольной оси основания
кузова или в его порогах. В зависимости от распределения долей нагрузок на
балки или металлический лист основания кузовов могут быть с несущими балками или с несущим полом.
В схеме с несущим полом тонкостенные балки располагаются в порогах,
в местах крепления двигателя и подвесок. Жёсткость основания кузова в этом
случае обеспечивается порогами, туннелем в средней части и элементами местного усиления коробчатого профиля.
Кроме основания, каркаса и оболочки в обеспечении жёсткости кузова
также участвуют крылья и колесные арки.
Для изготовления кузовов в большинстве случаев применяется сталь с
физико-механическими свойствами, позволяющими обеспечить высокие технологические показатели процесса крупносерийного производства типа 08кп;
08Фкп; 08Ю и конструкционная 08. Для несущих панелей больших размеров
используется стальной лист толщиной 0,5 … 0,8 мм. Для изготовления стоек,
порогов и несущих балок используются стальные профили толщиной 1,0 … 1,3
мм. В некоторых случаях для изготовления местных усилителей применяется
стальной лист толщиной 1,6 … 2,4 мм. Детали оперения, крышки капота и багажника, а также прочие наружные оболочки, не несущие значительных нагрузок, изготовляются из стального листа толщиной 0,4 … 0,5 мм. В целях повышения коррозионной стойкости для изготовления деталей кузова в некоторых
случаях используется оцинкованный стальной лист.
56
1
2
Рис. 4.5. Схемы оснований кузовов легковых автомобилей:
1 – с несущими балками; 2 – с несущим полом
В современных условиях прослеживается тенденция замещения металлических деталей пластиковыми. В первую очередь это касается элементов декоративного назначения, не воспринимающих несущих нагрузок. Однако стремление повысить коррозионную стойкость кузова приводит к замене металлических деталей пластмассовыми в наиболее уязвимых для коррозии местах – колесных арках, порогах, брызговиках.
Расчет деформаций и напряжений в элементах несущего кузова может
быть осуществлен:
- приближенным методом потенциальной энергии – на начальных этапах
проектирования;
- точным методом теории тонкостенных стержней – на завершающих этапах после доводочных испытаний;
- методом конечных элементов с использованием системы автоматического
проектирования САПР.
Передняя открытая часть кузова воспринимает значительную нагрузку от
силового агрегата. Задняя закрытая часть кузова воспринимает распределенную
нагрузку от массы пассажиров, багажа и топливного бака. При этом, несмотря
на неравномерность распределения нагрузки, жесткость кузова должна быть
как можно более равномерной по его длине. Для этого элементы передней части кузова выполняются из наиболее усиленных деталей, а для изготовления
элементов задней его части используются тонкостенные стержни и панели.
Как установлено [3], напряжения, возникающие в деталях кузова при
кручении, в 2 … 3 раза превосходят аналогичные напряжения при изгибе. При
этом оптимальной может считаться жёсткость кузова в пределах угла закручивания не более 15’ на метр его длины.
57
Кабины грузовых автомобилей проектируются на основе тех же принципов и конструктивных решений, что и кузова легковых автомобилей с той разницей, что кабина грузового автомобиля не выполняет роль несущей системы.
Для снижения вибрационной и шумовой нагрузки в кабине её крепление к раме
осуществляется через упругие элементы. Согласно требованиям ГОСТ
12.1.003-76 уровень шума в кабине грузового автомобиля не должен превышать
85 дБ(А).
В настоящее время на грузовых автомобилях применяются два типа кабин: кабина за двигателем и кабина над двигателем. Преимущественное распространение получает вариант кабины над двигателем, как позволяющий повысить обзорность, увеличить полезную площадь кузова, облегчить организацию спальных мест. Вместе с тем такая кабина конструктивно более сложна изза необходимости введения механизмов ее опрокидывания и фиксации в транспортном положении.
Контрольные вопросы
1. По каким режимам нагружения осуществляется оценка прочности автомобильной рамы?
2. Как определяется коэффициент динамического нагружения несущей
системы автомобиля?
3. Как определяется момент, закручивающий несущую систему?
4. Что представляет собой конструкция автомобильной рамы с периферийными лонжеронами?
5. Что представляет собой конструкция автомобильной рамы с
Х-образными лонжеронами?
6. Что представляет собой конструкция автомобильной рамы лестничного
типа?
7. Что представляет собой конструкция автомобильной рамы хребтового
типа?
8. Какие стандартные профили применяются для изготовления автомобильных несущих конструкций?
58
5. Вибрация и шум
Вибрационные и шумовые нагрузки, действующие на водителя, определяют его работоспособность и рассматриваются как показатели активной безопасности автомобиля. Кроме этого действие таких нагрузок на пассажиров, а в
некоторых случаях и на перевозимый груз, определяет уровень комфортабельности транспортного средства. Повышенный уровень вибрации и шума ограничивает скорость автомобиля и, следовательно, его производительность. Амплитуда и частота вибрации влияют на сохранность перевозимого груза и работоспособность агрегатов автомобиля. Внешний шум, возникающий при движении
автомобиля, оказывает отрицательное воздействие на окружающую среду.
В транспортной работе автомобиля в качестве причин и источников вибраций могут рассматриваться:
- внутренние факторы, определяемые несогласованностью взаимодействия
силовых нагрузок подвижных масс по условиям динамической уравновешенности;
- внешние факторы, определяемые неровностями дороги, поглощающей
способностью шин и демпфирующими свойствами подвески.
Среди внутренних факторов основными причинами вибраций являются
несогласованность амплитудных и частотных характеристик подвижных деталей трансмиссии, например, элементов карданной передачи и деталей подвески,
а также неуравновешенность колёс.
В качестве основного источника шумового загрязнения окружающей среды при движении автомобиля рассматривается взаимодействие протектора шин
с микронеровностями дорожного покрытия.
Восприятие человеком вибраций, передаваемых через сидение, определяется их интенсивностью, частотным составом, направлением и длительностью
воздействия. Интенсивность вибраций оценивается [11] средним квадратическим значением виброускорения в м/с2. Частотный состав вибраций оценивается средними квадратическими значениями виброускорений для среднегеометрических частот октавных полос в Гц. В качестве октавной рассматривается
полоса частот, у которой отношение верхней и нижней граничной частоты равно двум. Вибрации в автомобиле рассматриваются в соответствующих контрольных точках отдельно для каждой координатной оси – вертикальной, боковой и продольной.
Общие гигиенические нормы вибраций в отечественном машиностроении
определены требованиями ГОСТ 12.1.012-78, которыми установлены предельные значения средних квадратических виброускорений в октавных полосах
частот при воздействии на человека в течение восьми часов. Однако в транспортной работе автомобиля человек воспринимает вибрационное нагружение в
течение намного меньших промежутков времени. В связи с этим оценка вибрации испытуемого автомобиля проводится на основе сравнения получаемых характеристик с характеристиками автомобиля – аналога, получаемыми при тех
же условиях.
59
Снижение амплитуды вибраций обычно достигается следующими мероприятиями:
- уменьшением виброактивности источника, то есть уменьшением амплитуды колебаний от вибрации вращающихся деталей за счёт улучшения их балансировки;
- внутренней виброзащитой источника колебаний, то есть путём согласования частотных характеристик подвижных деталей, когда взаимное наложение
нескольких частот приводит к подавлению общей частоты колебаний;
- применением динамического гасителя вибраций, то есть введение в узел
дополнительных деталей, вызывающих колебания в противофазе и в итоге подавляющих общую амплитуду колебаний;
- применением виброизоляции с размещением между источником вибрации и объектом защиты дополнительного материала, поглощающего вибрационное воздействие.
В качестве основных направлений по защите людей в автомобиле от вибраций, вызываемых дорожными неровностями, рассматриваются повышение
поглощающей способности шин и демпфирующих элементов подвески, снижение жёсткости упругих элементов подвески и подушек сидений. В некоторых
случаях применяются специальные амортизаторы в упругих элементах сидений.
Снижение амплитуды вибрации вращающихся деталей карданной передачи обычно достигается оптимизацией параметров масс, моментов инерции и
геометрических размеров деталей, а также соответствующим изменением кинематической схемы. При этом в качестве основных измерителей таких колебаний используются периодические реактивные моменты и усилия, возникающие
в опорах. Кроме этого для каждого автомобиля регламентируются допустимые
отклонения в дисбалансе колёс.
По данным [11] внутренний шум в пассажирском салоне или кабине грузового автомобиля складывается из структурного шума, возникающего в результате резонансных вибраций панелей внутренней отделки и аэродинамического шума, передаваемого через воздушную среду от посторонних источников
шума, располагаемых вне автомобиля. Источниками структурного шума являются вибрации, исходящие от работы двигателя, узлов, содержащих зубчатые
передачи, крутильные колебания системы валов двигателя и трансмиссии, изгибные и крутильные колебания рамы или грузонесущего кузова. Вибрации от
источника передаются корпусным деталям и далее несущей системе. Совпадение двух и более частот вибрации деталей приводят к резкому возрастанию
итоговой амплитуды вибрации узла и выделяющейся при этом энергии вибраций. При наложении равных или находящихся в кратном соотношении частот
вибрации узла и собственной частоты трансмиссии, источниками возмущения
становятся трансмиссия или несущая система, от которых вибрации передаются
в кабину или пассажирский салон. Работа любой транспортной машины характеризуется возникновением большого числа первичных частот с большой веро-
60
ятностью совпадения или периодического наложения, что в конечном итоге
приводит к резонансным вибрациям внутренних панелей, создающим внутренний шум.
Аэродинамический шум возникает от проникновения в кабину или пассажирский салон внешнего шума от работы двигателя, агрегатов трансмиссии,
качения колёс, а также шума от встречного потока воздуха. При этом частота
такого шума может воздействовать на панели кабины или пассажирского салона с наложением на составляющие частоты структурного шума, что также может возбуждать резонансные явления, приводящие к усилению внутреннего
шума.
Внешний шум автомобиля образуется сложением первичных шумов работы двигателя, системами впуска воздуха и выпуска отработавших газов, вентилятором системы охлаждения, работы трансмиссии и качения колёс. Амплитудные составляющие таких шумов являются переменными и зависят от скорости автомобиля.
Шум в салоне автомобиля можно рассматривать как хаотическое сочетание нескольких частот с различными амплитудами. Одновременное действие
таких колебаний оказывают на человека утомляющее действие, при этом наибольшее утомление могут вызывать отдельные составляющие таких колебаний,
характеризуемые амплитудными и частотными характеристиками в определенных границах. Авторы [11] рассматривают интенсивность шума в автомобиле в
диапазоне воспринимаемых человеком частот уровнем звука, то есть количеством энергии, проходящей за единицу времени через единицу поверхности перпендикулярно к вектору скорости распространению звуковых колебаний в
В·А·м-2. Интенсивность отдельных составляющих шумового спектра постоянной частоты оценивается уровнем звукового давления в контрольных точках
внутреннего пространства салона автомобиля, измеряемого в Па. В связи с тем,
что частотные и амплитудные характеристики шумовых колебаний изменяются
в довольно широких пределах, в качестве измерителя звукового давления при
практических измерениях применяются относительные логарифмические единицы – децибелы (дБ). При этом измерение уровня звука осуществляется по
специальной шкале шумомера в дБА.
При принятии допущения, что уровень звука прямо пропорционален
квадрату звукового давления, интенсивность шума W можно выразить следующей зависимостью [9]
W = 10 lg
p
u
= 20 lg
,
u0
p0
где u и p – соответственно замеряемые значения уровня звука и звукового давления;
u0 и p0 – соответственно значения уровня звука и звукового давления на
верхнем пороге слышимости, u0 = 10-12 В·А/м2; p0 = 2·10-5 Па.
В диапазоне звуковых колебаний шум может быть представлен средними
квадратичными значениями уровня звукового давления со среднегеометриче-
61
скими частотами от 30 до 8000 Гц. Средний уровень шума в диапазоне звуковых частот приближённо может быть определен по следующей формуле [11],
базирующейся на энергетических соотношениях
n
u m = 10 lg ∑ 10
0 ,1u i
− lg n,
i =1
где i – порядковый номер уровня шума, i = 1; 2; 3; …; n.
Нормативной документацией определяются предельно допустимые уровни внешнего и внутреннего шумов для автомобильных транспортных средств, а
также порядок их определения. В автомобилях европейского производства уровень внутреннего шума в салоне при движении в городском режиме обычно не
превышает 15 … 25 дБА. Уровень внешнего шума при движении по шоссе со
скоростью 90 км/ч может доходить до 85 … 90 дБА, при этом более 85 % шумового загрязнения окружающей среды приходится на процесс взаимодействия
шин с дорогой. Применяющийся в последнее время в дорожном строительстве
умягчающий слой на поверхности асфальтового покрытия позволяет снизить
уровень внешнего шума до 45 … 50 дБА с уменьшением внутреннего шума до
13 … 18 дБА.
Снижение внутреннего и внешнего шумов достигается определенными
конструктивными мероприятиями, в качестве которых выступают совершенствование аэродинамической формы кузовов легковых и кабин грузовых автомобилей, систем воздухоочистителя и выпуска отработавших газов, электропривода вентилятора системы охлаждения и так далее.
Снижению внутреннего шума способствует повышение точности изготовления и установки элементов зубчатого зацепления в агрегатах трансмиссии, динамическая балансировка вращающихся деталей, ликвидирующая вибрационные нагрузки на опорные подшипники и элементы, соединяющие агрегаты трансмиссии с несущей системой – рамой или кузовом. В некоторых случаях применяются мероприятия по смещению собственной частоты колебательной системы агрегатов посредством изменения крутильной жёсткости валов и их моментов инерции или жёсткости валов на изгиб так, чтобы собственная частота агрегата трансмиссии превышала частоту колебаний несущей системы автомобиля в режиме максимальной скорости. Кроме этого эффективным
способом снижения внутреннего шума является введение в соединения агрегатов трансмиссии и несущей системы различного рода упругих элементов с
демпфирующими характеристиками, осуществляющих гашение колебаний при
взаимодействии двух колебательных систем.
Частоты собственных колебаний элементов кузова, подверженных резонансу, можно уменьшать посредством увеличения их жесткости путём образования соответствующих рёбер или канавок. Кроме этого нанесение на внутреннюю поверхность панелей кузова противошумной мастики увеличивает силы
внутреннего трения, затрачиваемые на деформации этих элементов, что также
способствует снижению амплитуды и частоты их вибраций. Достаточно высо-
62
кий эффект даёт приклейка к вибрирующим панелям кузова или кабины с внутренней стороны шумопоглащающих накладок из листового пористого материала.
В качестве основных направлений снижения внешнего шума транспортных машин рассматриваются совершенствование внешних форм кузова или кабины совместно с грузовой платформой, систем впуска свежего воздуха с использованием турбонагнетателя, выпуска отработавших газов, электропривода
вентилятора системы охлаждения. В современных условиях наибольшую актуальность в решении проблемы снижения внешнего шума автомобильного
транспорта представляет собой использование шин, создающих минимальный
уровень звуковых колебаний.
Контрольные вопросы
1. Каковы причины возникновения внутреннего шума в автомобиле?
2. Каковы причины возникновения внешнего шума в автомобиле?
3. Как оценивается интенсивность вибраций, воспринимаемых человеком,
на сидениях автомобиля?
4. Каким образом достигается снижение амплитуды вибраций на внутренних поверхностях пассажирского салона автомобиля?
5. Каким образом достигается снижение амплитуды вибраций вращающихся масс карданной передачи автомобиля?
6. В каких единицах измеряется уровень звукового давления на человека
в автомобиле?
7. Посредством каких мероприятий достигается снижение внутреннего
шума в салоне автомобиля?
8. Посредством каких мероприятий достигается снижение внешнего шума
автомобиля?
9. Каким образом можно уменьшить частоты собственных колебаний
элементов кузова автомобиля, подверженных резонансу?
10. Каким образом радиальная жёсткость шин связана с уровнями внутреннего и внешнего шума автомобиля?
11. Что представляют собой шумопоглощающие материалы, применяемые в автомобилестроении?
63
6. Светотехническое и вспомогательное оборудование
Безопасность движения автомобильного транспорта, а также его производительность в темное время суток и в условиях недостаточной видимости во
многом обеспечивается состоянием и качеством работы элементов светотехнического и вспомогательного оборудования. Светотехническое и вспомогательное оборудование транспортных и транспортно-технологических машин предназначено для обеспечения возможности управления ими независимо от погодных условий, а также внешней освещенности при соблюдении требований
безопасности движения.
Совместная работа некоторых элементов светотехнического и вспомогательного оборудования может рассматриваться в виде комплексной информационной системы, обеспечивающей прием и передачу информации по внешнему и внутреннему направлениям. Внешняя информация может подразделяться
на входную и выходную. Поток входной информации сообщает водителю ориентировочные данные об уровне безопасности дорожной обстановки, в соответствии с которым он может выбирать соответствующий режим транспортной
работы. Внешняя выходная информация в виде световых и звуковых сигналов
предназначена для сообщения другим участникам движения о качественных
(присутствие на дороге) и некоторых количественных характеристиках режима
движения транспортного средства (скорость, габаритные размеры, направление
движения, статус). Внутренняя информация в виде соответствующих световых,
а иногда и звуковых сигналов сообщает водителю о нахождении в норме или
выходе за пределы нормы контролируемых показателей работы транспортного
средства.
Выполнение международных автомобильных перевозок, а также экспорт
автомобильной транспортной продукции подчинены требованиям международной регламентации, определяемым правилами Европейской Экономической
Комиссии ООН. Согласно этим требованиям определен перечень осветительных, светосигнальных и звуковых сигнальных приборов, обязательных к установке на транспортных средствах, а также их основные характеристики и правила установки. Действие указанных международных требований распространяется и на территорию Российской Федерации.
6.1. Светотехническое оборудование
Светотехническое оборудование включает фары головного освещения,
габаритные огни, указатели поворотов, сигналы торможения, световозвращатели, противотуманные фары, противотуманные фонари, фонарь освещения номерного знака, задние фары, фары-прожекторы, фары - искатели, стояночные
фонари, фонари местного освещения. Светотехнические приборы разделяются
на осветительные и сигнальные. Исходя из требований безопасности движения,
на любой транспортной машине, установленные спереди световые приборы,
освещающие дорогу и несущие информацию о встречном курсе для других
64
участников движения должны быть белого цвета. В соответствии с этим задние
фары, включаемые при движении задним ходом, также должны быть белого
цвета. Располагаемые сзади транспортного средства световые приборы должны
быть красного цвета, как дополнительно информирующие других участников
движения о попутном курсе. Указатели поворотов, несущие информацию об
изменении направления движения, должны быть желтого или оранжевого цвета.
Конструкция световых приборов непрерывно совершенствуется в направлении улучшения светораспределения и снижения слепящего действия при
встречном разъезде. Действующими нормативными требованиями допускается
объединение в блоки световых приборов при условии соответствия требованиям стандартов характеристик каждого прибора. Все световые приборы должны
вписываться в силуэт внешнего вида транспортного средства, в том числе по
требованиям аэродинамического сопротивления.
6.1.1. Рабочий процесс светового прибора
Оптическая система светового прибора включает лампу, являющуюся источником света, отражатель и рассеиватель. Параболоидный отражатель концентрирует световой поток, излучаемый лампой в пределах малого телесного
угла и направляет его на рассеиватель. В рассеивателе, представляющем систему линз и призм, световой поток формируется в виде потока световых лучей,
направленных к освещаемой поверхности. Основными светотехническими параметрами световых приборов являются площадь светоотражающей поверхности оптической системы, площадь светового отверстия, телесный и плоский углы охвата, углы излучения и рассеивания света, фокусное расстояние оптической системы, коэффициент светоотражения, коэффициент светопропускания
рассеивателя.
Активным элементом оптической системы является зеркальная поверхность отражателя. Её проекция на плоскость, перпендикулярную оптической
оси Х (рис. 6.1), называется световым отверстием, площадь которого определяет характеристики светового потока. Оптическая ось Х является осью симметрии светового прибора, на которой размещается точка F его фокуса. Отрезок f
оптической оси от фокуса до вершины параболоидного отражателя есть фокусное расстояние оптической системы. В фокусе параболоида размещается источник света малых размеров. Световые лучи от данного источника поступают
на внутреннюю поверхность отражателя, от которой отражаются параллельно
оптической оси Х.
Высота поверхности параболоидного отражателя относительно оптической оси в плоскости
Z=
fX .
Располагаемый в фокусе отражателя источник света в виде нити накала
лампы производит световой поток Фл, однако на поверхность отражателя поступает его часть
65
Ф1 = I лα1 ,
где Iл – средняя сила света лампы, распространяющаяся в пределах внутреннего
телесного угла α1 отражателя.
Z
α1
О
.
Ф2
α2
X
F
f
Рис. 6.1. Схема работы светового прибора с параболоидным отражателем
Коэффициент использования светового потока лампы
Ф
ηл = 1 .
Фл
Согласно данным уравнениям световой поток лампы
Iα
Фл = л 1 .
ηл
Отходящий от отражателя световой поток Ф2 распространяется в пределах наружного телесного угла α2 согласно зависимости
Ф2 = I отрα 2 ,
где Iотр – средняя сила отраженного света.
Коэффициент отражения света ηотр, характеризующий качество поверхности отражателя, можно определить по отношению световых потоков
Ф
ηотр = 2 .
Ф1
Соответствующим образом можно определить световой поток на выходе
светового прибора
Ф 2в = Ф лη лηотрη р ,
где ηр – коэффициент светопропускания рассеивателя.
66
Сокращение потерь светового потока лампы при передаче к выходной
части светового прибора может быть достигнуто следующими действиями.
1.
Увеличением внутреннего телесного угла α1. При этом в качестве ограничителей можно рассматривать диаметр светового отверстия D и фокусное расстояние f. В результате поиска из числа возможных вариантов для существующих конструкций световых приборов в качестве оптимальной величины было
рекомендовано [1] α1 = 4,18 рад = 2400, в результате чего коэффициент использования светового потока лампы ηл = 0,7 - 0,75.
2.
Увеличением коэффициента отражения ηотр. Величина данного коэффициента, в основном, определяется качеством покрытия и характеристиками материала, напылённого на внутреннюю поверхность отражателя. В качестве отражающих материалов могут использоваться: серебро (ηотр = 0,89 - 0,92), хром,
никель (ηотр = 0,85 - 0,87), алюминий (ηотр = 0,92 - 0,94) [5].
3.
Увеличением коэффициента светопропускания рассеивателя. Наличие
светопреломляющих и светоконцентрирующих линз в материале рассеивателя в
определенной степени затрудняет прохождение светового потока. Однако наличие линз необходимо для формирования требуемой формы потока световых
лучей. Кроме этого прозрачность материала линз рассеивателя не является идеальной и в современных условиях за счет применения более прозрачных материалов может быть достигнуто повышение величины коэффициента ηр.
4.
Применением стеклоочистителей и стеклоомывателей наружной поверхности стекол рассеивателей фар.
Смещение нити накала относительно фокуса приводит к снижению степени концентрации светового потока и соответствующему изменению направления световых лучей, что реализуется в различных вариантах системы светораспределения ближнего света фар головного освещения.
Световой поток, исходящий от светового прибора, может быть сформирован в виде прожекторного луча или проекторного потока. В приборах светосигнального назначения и местного освещения более предпочтительным является формирование световых лучей в виде проекторного потока. В приборах
освещения дороги и близлежащей местности лучшая видимость обеспечивается
посредством светового потока в виде прожекторного луча, позволяющего в освещаемой поверхности выделять зону светового пятна с большей освещенностью. Концентрация или рассредоточение светового потока обеспечивается как
расположением нити накала относительно фокуса, так и наличием, формой и
расположением преломляющих линз, расположенных впереди отражателя.
67
6.1.2. Световые приборы головного освещения
Световые приборы головного освещения предназначены для освещения
дороги впереди автомобиля на расстоянии 20 … 100 м с яркостью, обеспечивающей водителю качественную оценку дорожной обстановки и своевременное
обнаружение препятствий по условиям безопасности движения. К световым
приборам головного освещения относятся фары дальнего и ближнего света, фары-прожекторы, фары-искатели, противотуманные фары.
По способу реализации процесса освещения дороги система светораспределения фар ближнего и дальнего света может быть двухфарной или четырехфарной. При четырехфарной системе на автомобиле устанавливаются две
двухрежимные фары и две фары дальнего света, отличающихся между собой
световой мощностью ламп, углами наклона оптических осей к плоскости дороги и формами световых пятен на дороге. В двухрежимной фаре устанавливается
лампа с двумя нитями накала, из которых одна нить размещается в фокусе, а
другая нить смещается относительно фокуса вверх или вперед в зависимости от
типа светораспределения.
Основным требованием к системе светораспределения ближнего света
является обеспечение наименее возможного слепящего действия фары, в связи
с чем его реализация проявилась в создании двух разновидностей ближнего
света: американской и европейской. При этом обе разновидности могут быть
использованы как при двухфарной, так и при четырехфарной системах светораспределения.
В американской системе светораспределения нить накала ближнего света
имеет подковообразную или цилиндрическую, располагаемую перпендикулярно оптической оси фары форму и находится выше фокуса с небольшим смещением влево. Такое решение позволяет наклонить вниз центральную ось светового потока с небольшим смещением вправо относительно оптической оси фары. Это приводит к смещению светового пятна ближе к автомобилю и лучшему
освещению правой части дороги. Световой поток ближнего света приобретает
асимметричную, смещенную вправо форму, что способствует уменьшению
слепящего действия фар. Недостатком конструкции является отсутствие резкой
границы освещенной и неосвещенной частей дороги и ощутимое слепящее действие на глаза встречных водителей.
В европейской системе светораспределения нить накала ближнего света
выполняется в виде цилиндрической формы, размещается впереди фокуса на
оптической оси фары или несколько выше. Для создания резкой границы освещенной части дороги под нитью ближнего света 1 (рис. 6.2) размещается корытообразный экран 2 с небольшим вырезом в левой передней части под углом
150, позволяющим увеличить прохождение светового потока в правую сторону
дороги. В лампах для автомобилей, предназначенных для эксплуатации на дорогах с левосторонним движением, такой вырез для асимметричности светового потока делается справа. Рассматриваемые решения позволяют существенно
68
снизить слепящее действие фар европейской системы светораспределения
ближнего света.
1
F
º
2
2
Рис. 6.2. Размещение нити накала ближнего света в фаре европейской системы
светораспределения
В европейской системе светораспределения в режиме ближнего света используется только верхняя часть поверхности отражателя. Кроме этого совмещение в одной фаре двух рабочих режимов приводит к некоторому ухудшению
характеристик как ближнего, так и дальнего света. Стремление повысить показатели светоотдачи привело к созданию комбинированной четырехфарной системы, при которой в режиме дальнего света к основным двухрежимным фарам
добавляются две однорежимные фары. Такое решение позволяет снизить мощность и размеры нити накала дальнего света основных двухрежимных фар и
одновременно за счет этого улучшить характеристики системы ближнего света.
Нить накала ближнего света располагается в фокусе отражателя, а нить дальнего света – сзади фокуса. Максимальный коэффициент светоотдачи такая фара
обеспечивает в режиме ближнего света. Снижение светоотдачи основных фар в
режиме дальнего света при этом компенсируется параллельным включением
двух однорежимных фар. При включении ближнего света работают две фары
(рис. 6.3), в режиме дальнего света – четыре.
Рис. 6.3. Схема реализации световых потоков при европейской асимметричной
системе ближнего света
69
Стремление уменьшить габаритные размеры фар в целях улучшения дизайна или фронтального аэродинамического сопротивления привело к созданию так называемых гомофокальных конструкций. Конструктивное построение
гомофокальной фары (рис. 6.4) базируется на введении второго отражателя с
меньшим фокусным расстоянием. Это позволяет увеличить концентрацию светового потока при уменьшении высоты отражателя.
а
b
h
Рис. 6.4. Конструктивное построение гомофокальной фары
В сравнении с фарами традиционной конструкции гомофокальное построение позволяет уменьшить длину отражателя а на 15 … 20 %, соотношение
размеров ширины и высоты фары b и h может находиться на уровне b/h = 3,0 …
3,5. Вторичное формирование светового потока фары осуществляется путем его
прохождения через систему оптических призм и линз рассеивателя. Вертикальные цилиндрические линзы рассеивают световой пучок в стороны. Применение
эллипсоидных линз позволяет осуществлять рассеивание светового потока в
перпендикулярно расположенных плоскостях. При этом максимальная сила
света (рис. 6.5) проходит вдоль оптической оси прибора.
40000 кд 25000 кд 16000 кд 10000 кд 6500 кд 4300 кд 2500 кд
Рис. 6.5. Световое пятно фары дальнего света
При отклонении в вертикальной плоскости происходит резкое уменьшение силы светового потока, причем в верхней части более значительное
70
(рис. 6.6), что наряду с другими мероприятиями позволяет снизить слепящее
действие фары. При отклонении в горизонтальной плоскости происходит несколько меньшее снижение светового потока, что расширяет зону светового
пятна на дороге. В современных конструкциях фар угол максимальной концентрации светового потока составляет 5 … 90 в вертикальной плоскости и 18 …
240 в горизонтальной плоскости [1].
10000 кд
6300 кд 4000 кд
1000 кд 1600 кд 2500 кд
Рис. 6.6. Световое пятно европейской фары ближнего света
Согласно требованиям Европейской экономической комиссии по безопасности движения общее число фар, располагаемых на транспортном средстве, должно быть чётным. При этом сила светового потока одновременно работающих фар дальнего света не должна превышать 225000 Кд. Высота расположения фар ближнего света должна быть не менее 500 мм и не более 1200 мм от
поверхности дороги. Расстояние от внешнего габаритного края транспортного
средства до внешнего края светового отверстия не должно превышать 400 мм,
при этом расстояние между внутренними краями световых отверстий фар
должно быть не менее 600 мм.
Нормирование светотехнических характеристик фар головного освещения осуществляется с целью обеспечения комфортных условий видимости дороги при условии минимально возможного слепящего действия. По условиям безопасности движения в темное время суток необходимо, чтобы гарантированная дальность видимости Lвид превосходила величину остановочного
пути Lост,
Lвид > Lост + lпр ,
где lпр – запас остановочного пути до препятствия.
Остановочный путь транспортного средства, являющийся функцией его
скорости в момент начала аварийного торможения, может быть определен по
формуле
71
Lост =
Vнtрв + Vнtрт
3,6
К иVн2
+
,
254ϕ х
где Vн – скорость автомобиля в км/ч в момент начала торможения;
tрв – время реакции водителя на появление препятствия, обычно tрв = 0,4 …
0,8 с;
tрт – время срабатывания тормозной системы, обычно tрт = 0,2 … 0,4 с;
Ки – коэффициент интенсивности торможения, для режима аварийного
торможения Ки = 0,8 … 1,0; φх – коэффициент сцепления колес с дорогой, для
сухого асфальта φх = 0,4 … 0,6.
Необходимая для обнаружения препятствия освещенность Епр зависит от
прозрачности воздуха и цветовой контрастности предметов и по рекомендации
В.Е. Ютта [22] может быть определена по формуле
Епр = 0,2 + 0,01Lост .
При этом суммарная сила света фар
I фс = Епр L2ост .
С учетом того, что остановочный путь автомобиля Lост является функцией
квадрата его начальной скорости Vн, сила света фар, согласно предыдущей зависимости, прямо пропорциональна четвертой степени скорости автомобиля,
Iфс ≡ Vн.
Нормативными характеристиками ближнего света фар являются коэффициент ослеплённости Сосл и дальность видимости Lвид. Коэффициент ослеплённости, определяющий слепящее действие фары, показывает, насколько ухудшаются условия видимости дороги водителем от фар встречного автомобиля.
Данный коэффициент зависит от ряда факторов, среди которых можно выделить яркость поля адаптации на уровне глаз водителя, угол действия светового
потока относительно траектории движения автомобиля, угол рассеивания светового потока и т.д. С достаточной точностью коэффициент ослеплённости
может быть определен по формуле
Сосл =
Iо + Iф
Iо
,
где Iо – сила света, начинающая вызывать эффект ослеплённости; Iф – сила света фар встречного автомобиля, попадающая на глаза водителя.
Дальность видимости Lвид зависит от создаваемой фарами освещенности
дороги Е на расстоянии lв и с учетом необходимой для обнаружения препятствия на дороге освещенности Епр может быть определена по формуле
Lвид = lв
Е
.
Епр
72
Фары-прожекторы предназначены для освещения наиболее удаленных
участков дороги, расположенных за зоной освещения фарами дальнего света.
Конструктивное построение таких фар осуществляется по принципу однорежимного светового прибора в соответствии со схемой, показанной на рис. 6.1 с
отличием в большей длине фокусного расстояния. Это позволяет при наличии
специальных призматических линз рассеивателя формировать узкий концентрированный световой поток, проникающий на достаточно большое расстояние. Установка таких фар разрешается только на специальных автомобилях,
технические характеристики которых могут выступать за установленные пределы дорожных ограничений. Высота расположения фар-прожекторов не нормируется.
На специальных транспортных средствах, производящих технологические работы, могут устанавливаться фары-прожекторы, освещающие зону проведения работ. Отличие таких фар от транспортных фар-прожекторов состоит в
формировании более широкого угла рассеивания светового потока, позволяющего без значительного снижения освещенности расширить площадь светового
пятна в зоне работ.
Фары-искатели имеют примерно такой же принцип построения и служат
для поиска предметов, расположенных вне зоны действия фар головного освещения. На автомобиле устанавливается обычно одна фара-искатель, располагаемая на поворотном кронштейне с возможностью управления с рабочего места водителя.
Противотуманные фары предназначены для освещения дороги в условиях затрудненной видимости при наличии на пути следования автомобиля тумана, метели, пыли или дыма.
По конструктивному построению противотуманная фара отличается от
обычной однорежимной фары, прежде всего, формой светового потока (рис.
6.7). Ухудшение видимости дороги в условиях тумана при работе фар ближнего
или дальнего света происходит из-за свечения светоотражающих частиц в пространстве, охватываемом световыми лучами таких фар. Включение фар дальнего света значительно ухудшает видимость дороги.
1
2
Рис. 6.7. Распределение светового потока в вертикальной плоскости: 1 – фарой
ближнего света; 2 – противотуманной фарой
73
Улучшение видимости дороги в условиях тумана может быть достигнуто
приданием световому потоку фары щелевидной формы, резко ограничивающей
попадание лучей света на заполненное туманом пространство. Для достижения
такого эффекта противотуманная фара должна производить узкий, с углом рассеивания не более 50, световой поток в вертикальной плоскости и расширенный, с углом рассеивания 80 … 1100, в горизонтальной плоскости (рис. 6.8). В
целях лучшей освещенности дороги при таком распределении светового потока
противотуманные фары необходимо располагать как можно ниже к поверхности дороги.
1
2
Рис. 6.8. Распределение светового потока в горизонтальной плоскости:
1 – противотуманными фарами; 2 – фарами ближнего света
Действие противотуманных фар должно обеспечивать хорошую видимость дороги на расстоянии 15 … 20 метров перед автомобилем. Высота расположения противотуманных фар в меньшей степени влияет на освещенность дороги, чем светораспределение и точность их установки. По данным [1] увеличение высоты установки фар с 0,25 до 1 м от поверхности дороги снижает
дальность видимости до 10 %, тогда как отклонение оптической оси фары по
вертикали на 3 % от нормального положения уменьшает дальность видимости
более чем в два раза. При освещении плоскости, перпендикулярной оптической
оси, противотуманная фара дает световое пятно (рис. 6.9), сжатое по вертикали
и растянутое по горизонтали.
I = 600 кд; I = 3000 кд;
I = 4000 кд;
I = 5000 кд;
I = 6000 кд
Рис. 6.9. Световое пятно противотуманной фары
74
В ходе поиска мер по повышению цветовой контрастности изображения
дороги было установлено [1], [22], что наиболее высокая цветовая контрастность в тумане средней и высокой плотности с относительно большими размерами светящихся частиц достигается при приближении спектра света лампы к
спектру дневного света. В то же время при наличии тумана малой плотности
или пылевой среды с малыми размерами светящихся частиц лучший эффект
дают лучи желтого света с бóльшей длиной световых волн, соизмеримых с размерами частиц тумана или пыли. При этом, согласно требованиям Европейской
экономической комиссии по безопасности движения, рассеиватели противотуманных фар, располагаемых на одном транспортном средстве, должны быть
одного цвета.
Для уменьшения слепящего действия противотуманных фар могут применяться те же мероприятия, что и для фар ближнего света: расположение светоотражающего экрана под нитью накала, установка экрана прямых лучей перед лампой, смещение оптических осей фар вправо. Рассеиватель противотуманной фары выполняется в виде многорядной структуры преломляющих элементов в виде усеченных прямолинейных цилиндрических линз (рис. 6.10).
Рис. 6.10. Рассеиватель противотуманной фары
В результате взаимодействия прямых лучей, исходящих от лампы, с частицами тумана происходит значительное рассеивание несформированного светового потока, образующего непрозрачную пелену, резко снижающую дальность видимости. Для уменьшения эффекта непрозрачной пелены применяется
экран прямых лучей, располагаемый впереди лампы и возвращающий прямые
лучи на отражатель. Это позволяет исключить взаимодействие прямых лучей
лампы с частицами тумана и тем самым улучшить условия видимости в тумане.
Наличие большего угла рассеивания светового потока в горизонтальной
плоскости позволяет использовать преимущества противотуманных фар при
движении на крутых поворотах в горной местности или при маневрировании в
стесненных условиях. Использование противотуманных фар в условиях плохой
видимости позволяет повысить безопасность движения и увеличить скорость
транспортной работы автомобилей на 20 … 30 %. При движении в тумане в
75
светлое время суток включение противотуманных фар не улучшает условия видимости. Однако они могут выполнять роль источников света, обозначающих
движущееся транспортное средство.
Корпус противотуманной фары должен выполняться из металлического
листа, допускающего высокую теплонапряженность и достаточную прочность
при высокочастотном вибрационном нагружении. Кроме этого на корпусе должен быть механизм регулировки положения фары с одной или двумя степенями
свободы.
6.1.3. Светосигнальные приборы
Светосигнальные приборы предназначены для информирования участников движения о режиме работы и виде транспортного средства, его габаритных
размерах, совершаемом маневре и принадлежности в виде освещаемого номерного знака.
К светосигнальным приборам относятся габаритные и стояночные фонари, сигналы торможения, указатели поворота, специальные сигналы и световозвращатели. Форма, размеры и расположение светосигнальных приборов должны отвечать нормативным требованиям по безопасности движения и соответствовать внешнему виду транспортного средства. Согласно действующим международным и отечественным стандартам установлены перечень и основные
параметры обязательных и необязательных, но допускаемых к применению,
осветительных и светосигнальных приборов. При этом работа светосигнальных
приборов может происходить в активном режиме с использованием собственного источника света либо в пассивном режиме посредством отражения света
фар другого автомобиля.
В комплект обязательных светосигнальных приборов дорожных транспортных средств входят:
- габаритные огни, два передних белого цвета и два задних красного цвета;
- сигналы торможения в виде двух располагаемых сзади транспортного
средства фонарей красного цвета;
- фонарь освещения заднего номерного знака белого цвета;
- указатели поворота и аварийной световой сигнализации оранжевого цвета, располагаемые попарно спереди, сбоку и сзади транспортного средства;
- задние световозвращатели красного цвета;
- фары заднего хода белого цвета.
Кроме этого, некоторые виды транспортных средств, согласно действующим стандартам, должны оснащаться следующими видами светосигнальных
приборов:
- контурными фонарями грузовых фургонов или автобусов;
- специальными опознавательными фонарями;
- фонарями преимущественного права проезда.
К необязательным, но допускаемым к установке на транспортные средства светосигнальным приборам относятся фары обозначения движения, задние
76
противотуманные фонари, стояночные фонари, дополнительные сигналы торможения, боковые огни, указатели траектории.
По функциональным особенностям светосигнальные приборы могут рассматриваться в виде источников или отражателей света.
По условиям режима работы светосигнальные приборы подразделяются
на приборы длительного, в том числе круглосуточного, действия и приборы
краткосрочного действия, например, сигналы торможения или указатели поворота. Данные особенности определяют требования по выбору материалов и
компоновочной схеме.
В зависимости от условий использования световые приборы могут быть
ночного или круглосуточного действия. Излучаемая от приборов ночного действия сила света обычно составляет 5 … 12 кд. Для приборов круглосуточного
действия, видимость которых должна обеспечиваться при ярком солнечном
свете, сила света находится в пределах 500 … 700 кд. В необходимых случаях
должна обеспечиваться соответствующая защита от слепящего действия таких
приборов в ночное время.
Нормирование характеристик светосигнальных приборов осуществляется
по условиям их зрительного восприятия в конкретных условиях видимости с
учетом динамических свойств транспортных средств. Исходя из функционального назначения, для каждого светосигнального прибора в качестве нормативных характеристик рассматриваются: сила света, углы видимости, расстояния
от крайних габаритных точек и по высоте транспортного средства, цветовые
различия. Кроме этого нормируется количество светосигнальных приборов с
каждой стороны транспортного средства, углы геометрической видимости светящейся поверхности в горизонтальной и вертикальной плоскостях (рис. 6.11).
Опознаваемость светосигнальных приборов достигается изменением силы света, цветовым спектром, а также проблесковым режимом их работы.
Как указывалось ранее, передние габаритные огни, фары заднего хода,
фонари освещения номерного знака, передние световозвращатели должны быть
белого цвета. В некоторых случаях допускается желтый селективный цвет. Задние габаритные фонари, задние световозвращатели, сигналы торможения
должны быть красного цвета. Указатели поворота, работающие в мигающем
режиме, должны быть оранжевого цвета. Проблесковые маячки автомобилей
специальных служб, устанавливаемые в верхней части транспортного средства,
могут выполняться синего, красного или бело-лунного цвета.
Видимость светосигнальных приборов характеризуется углами геометрического светораспределения в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Углы геометрического светораспределения в вертикальной плоскости обычно составляет ±150 относительно оптической оси. В горизонтальной плоскости
обычно применяется асимметричное светораспределение с бóльшими углами
фронтальной видимости θф и меньшими углами боковой видимости θб относительно оптической оси.
77
θб
θф
θф
θб
θб
θф
θф
θб
Рис. 6.11. Углы светораспределения светосигнальных приборов
в горизонтальной плоскости
Для передних и задних габаритных фонарей и указателей поворота углы
геометрического светораспределения обычно составляют θф = 800 и θб = 450 в
пределах телесного угла θ = θф + θб = 800 + 450 = 1250. Для сигналов торможения
применяется симметричное светораспределение при θф = θб = 450. Задние световозвращатели также выполняются с симметричным светораспределением при
θф = θб = 300.
Габаритные огни предназначены для обозначения наличия и примерных
габаритных размеров транспортного средства в темное время суток и в условиях недостаточной видимости. Прицепные звенья обозначаются двумя задними
габаритными фонарями, а при ширине более 2,6 м – двумя передними. Автобусы длиной более 7 м и транспортные средства с кузовами фургонного типа
должны обозначаться четырьмя верхними габаритными фонарями: двумя спереди белого цвета и двумя сзади красного цвета. Сила света по соответствующим оптическим осям должна находиться в пределах 40 … 60 кд для нижних
габаритных фонарей и 5 … 12 кд для верхних фонарей.
Габаритные фонари располагаются на одной высоте симметрично относительно продольной оси транспортного средства на равных расстояниях от его
крайних габаритов. Согласно нормативным требованиям по безопасности движения R35 Правил ЕЭК расстояния между фонарями по ширине должно быть
не менее 600 мм; для транспортных средств особо малого класса допускается
400 мм. Расстояние до плоскости бокового габарита транспортного средства
должно быть не более 400 мм. Высота установки нижних габаритных фонарей
должна находиться в пределах 400 … 1500 мм. Высота расположения верхних
габаритных фонарей должна быть не ниже 400 мм от плоскости верхнего габарита транспортного средства. На транспортных средствах длиной более 6 м
должны устанавливаться боковые габаритные фонари оранжевого цвета с углами рассеивания θ = 90 … 1200 и силой света 2 … 5 кд. Аналогичные характеристики должны иметь фонари сигнализации открытия дверей, сигнализирующие
об увеличении ширины транспортного средства.
78
Дневные ходовые огни устанавливаются на транспортные средства в
связи с введением в дорожные законодательства ряда государств требования
движения с включённым ближним светом фар независимо от условий освещённости. При этом фары ближнего света, содержащие лампы накаливания, потребляют значительное количество энергии, увеличивающее расход топлива.
Появление мощных светодиодов с достаточно высокой светоотдачей и незначительным потреблением энергии позволило создать фары, выдающие рассеянный световой поток, хорошо видимый при ярком солнечном свете. Для освещения дороги в тёмное время суток такие фары не могут быть использованы из-за
наличия рассеянного светового потока, в связи с чем они не могут служить заменителями фар ближнего света или противотуманных фар. Концентрация светового потока фар, содержащих светодиодные источники света, в настоящее
время представляет некоторые трудности. Электрическая схема включения
дневных ходовых огней должна предусматривать их действие при замыкании
цепи включателя зажигания. При включении фар ближнего или дальнего света
дневные ходовые огни должны отключаться, чтобы не создавать дополнительное слепящее действие для встречных водителей.
Стояночные фонари предназначены для обозначения стоящего транспортного средства в темное время суток, когда использование габаритных фонарей требует значительных затрат энергии и приводит к быстрому разряду аккумуляторной батареи. При этом не требуется значительной яркости источников света.
Размещение и углы светораспределения стояночных фонарей аналогичны
соответствующим характеристикам габаритных фонарей, однако сила света
ламп обычно составляет 2 … 3 кд, что достаточно для видимости стоящего автомобиля на расстоянии до 100 м. На транспортных средствах стояночные фонари могут быть сгруппированы или совмещены с соответствующими габаритными огнями. Электрическая схема управления стояночными фонарями должна
предусматривать возможность их включения с одной стороны, обращенной к
проезжей части дороги.
Противотуманные фонари, располагаемые сзади транспортного средства, предназначены для применения только в условиях тумана, когда использование задних габаритных огней малоэффективно, так как происходит резкое
сокращение дистанции, при которой возможно обнаружение впереди идущего
транспортного средства. Для увеличения расстояния, при котором можно заметить располагающийся впереди автомобиль, предназначены задние противотуманные фонари красного цвета с повышенной светоотдачей.
Светораспределение противотуманных фонарей осуществляется таким же
образом, как и у противотуманных фар. Угол светораспределения в вертикальной плоскости не должен превышать 50. Согласно требованиям безопасности
движения, на транспортном средстве может устанавливаться один или два противотуманных фонаря с силой света 500 … 1000 кд и более. Такая сила света
при отсутствии тумана может вызывать эффект ослепления или зрительного
79
дискомфорта, в связи с чем включение таких световых приборов допускается
только в условиях тумана, причем более эффективно в дневное время. Свет
заднего противотуманного фонаря воспринимается следующим позади водителем в виде вытянутого по горизонтали красного светового луча. При этом водитель способен обнаружить расположенный автомобиль на расстоянии, в несколько раз большем в сравнении с автомобилем, обозначенным только обычными габаритными огнями.
Высота установки противотуманных фонарей ограничивается по условиям безопасности движения величиной 0,25 … 1,0 м. Один противотуманный
фонарь может быть расположен посередине транспортного средства или в левой его части. При этом противотуманные фонари могут быть составными частями задних блоков светосигнальных приборов. При раздельной компоновке
противотуманные фонари должны располагаться выше или ниже светосигнальных блоков для исключения наложения световых потоков. Схема включения
противотуманных фонарей должна предусматривать их работу только совместно с габаритными фонарями.
Сигналы торможения служат для предупреждения находящихся сзади
транспортного средства участников движения о снижении скорости или остановке. Обязательный комплект сигналов торможения включает два симметрично расположенных сзади транспортного средства фонаря красного цвета. Кроме
этого допускается наличие двух дублирующих фонарей с аналогичными характеристиками, располагаемых в пассажирском салоне непосредственно за задним стеклом на уровне выше штатных сигналов, обеспечивающих лучшую их
видимость.
Сигналы торможения включаются автоматически при срабатывании тормозной системы. С учетом того, что световой сигнал должен быть хорошо заметен при ярком солнечном свете, от данных фонарей должна исходить достаточно высокая сила света. Однако в темное время суток это может вызвать зрительный дискомфорт находящихся сзади участников дорожного движения, в
связи с чем сила света сигналов торможения ограничивается в пределах 40 …
100 кд. Для повышения безопасности движения могут применяться двухрежимные сигналы торможения с силой света в дневное время 130 … 500 кд и 50
… 80 кд в ночное время. Переключение режимов работы таких световых приборов может осуществляться вручную либо автоматически, в том числе со следящим действием по освещенности посредством фотоэлектрического датчика.
Электрическая схема управления сигналами торможения должна предусматривать их работу в любых условиях, независимо от положения ключа в
замке зажигания и работы других приборов. В связи с большой ответственностью в обеспечении безопасности движения к цепи управления сигналами торможения предъявляются дополнительные требования по надежности, в том
числе отсутствие защиты цепи от короткого замыкания посредством плавкого
или термобиметаллического предохранителя.
80
Указатели поворота предназначены для передачи информации другим
участникам движения о намерении водителя изменить направление следования.
Обязательный комплект указателей поворота для всех механических транспортных средств включает два передних, два задних и два боковых фонаря
оранжевого цвета, работающих в проблесковом режиме. Частота мигания указателей поворота определяется из условий зрительного восприятия информации
и находится в пределах 1 … 2 с-1. При уменьшении частоты мигания ухудшается восприятие сигнала, и он может быть не замечен другими участниками движения. Увеличение частоты мигания сигнала более 2 с-1 приводит к восприятию
его как постоянно горящего.
Нормативные характеристики указателей поворота определяются так же,
как и для сигналов торможения с учетом работы в режимах яркого дневного
света и отсутствия ночного освещения. Исходя из этого, указатели поворота
могут быть как однорежимными, так и двухрежимными. Однако двухрежимное
исполнение передних указателей поворота нецелесообразно, поскольку их работа ночью происходит при включенных фарах и не вызывает ослепления при
силе света в пределах 200 … 500 кд. Сила света задних указателей поворота при
однорежимном исполнении должна находиться в пределах 100 … 200 кд, а при
двухрежимном исполнении – 200 … 700 кд днем и 50 … 120 кд в ночное время.
Такими же характеристиками могут обладать боковые повторители. Электрическая схема включения указателей поворота должна предусматривать их работу
только при замыкании цепи включателя зажигания во избежание создания зрительных помех и разряда аккумуляторной батареи во время стоянки автомобиля.
Схема включения указателей поворота должна предусматривать их работу в режиме аварийной световой сигнализации – одновременного синхронного мигания всех указателей поворота. При этом частотные и световые характеристики должны оставаться такими же, как и для соответствующих режимов
указателей поворота. Включение аварийной световой сигнализации должно
производиться вне зависимости от положения включателя зажигания посредством кнопочного включателя или тумблера, располагаемого в легкодоступном
месте на панели приборов. При этом работа приборов системы указателей поворота должна предусматриваться как в режиме кратковременного включения,
так и в режиме длительной работы по схеме аварийной световой сигнализации.
Фонари освещения номерных знаков должны включаться совместно с
габаритными фонарями и обеспечивать равномерное освещение от одного или
двух фонарей белого цвета. Согласно нормам ЕЭК по безопасности дорожного
движения освещенность таблицы номерного знака должна находиться в пределах 10 … 490 лк. Яркость света в контрольных точках поверхности знака должна быть не менее 2,5 кд/м2. Поле видимости номерного знака должно быть в
пределах углов: 100 в вертикальной плоскости и 600 в горизонтальной плоскости симметрично оси, перпендикулярно направленной к плоскости знака и проходящей через его центр.
81
Фонари заднего хода должны обеспечивать освещение дороги при движении назад. Согласно действующим требованиям по безопасности дорожного
движения на транспортном средстве должны устанавливаться один или два фонаря заднего хода белого цвета, работающих при включении передачи заднего
хода. По конструкции и предъявляемым требованиям фонари заднего хода относятся к светосигнальным приборам. Размещение таких фонарей производится
в задней части автомобиля на уровне 400 … 1200 мм от поверхности дороги.
Углы светораспределения данных фонарей могут незначительно различаться
для различных видов транспортных средств и обычно находятся в пределах 20
… 300 в вертикальной плоскости и 85 … 900 в горизонтальной плоскости. Электрическая схема включения фонарей заднего хода должна предусматривать их
работу при включении зажигания и передачи заднего хода независимо от включения габаритных фонарей. Такое решение позволяет сообщать дополнительную информацию другим участникам о движении назад независимо от условий
освещенности.
Опознавательные фонари автопоезда выполняют информационную
роль о наличии сочлененных транспортных средств. На автопоездах и сочлененных транспортных средствах должны располагаться опознавательные знаки
в виде трех расположенных рядом фонарей оранжевого цвета, устанавливаемые
на крыше кабины тягача. Расстояние между фонарями должно находиться в
пределах 150 … 300 мм; углы светораспределения должны быть 10 … 150 в
вертикальной плоскости и до 1800 в горизонтальной плоскости. Работа данных
фонарей должна предусматриваться в длительном режиме при транспортной
работе и стоянке автопоезда, в связи с чем их включение должно осуществляться независимо от положения и наличия ключа в замке зажигания.
Фонарь преимущественного проезда или проблесковый маячок устанавливается в верхней части автомобиля и работает в проблесковом режиме с
частотой 1 … 2 с-1. Углы светораспределения находятся в пределах 10 … 200 в
вертикальной плоскости и 3600 в горизонтальной плоскости. В зависимости от
назначения и принадлежности к виду специальных служб цвет таких фонарей
может быть синим, красным, оранжевым или бело-лунным. В требуемых случаях параллельно с работой фонаря преимущественного проезда синего цвета
должен включаться специальный звуковой сигнал.
Световозвращатели относятся к пассивным светосигнальным приборам
с возвратно-отражающим действием. Световозвращатели служат для передачи
информации другим участникам движения о наличии и примерных габаритных
размерах транспортного средства с неработающими габаритными фонарями
путем отражения света, исходящего от другого автомобиля. Требования к установке световозвращателей аналогичны требованиям к установке габаритных
фонарей. Отражающий эффект световозвращателя основывается на принципе
отражения световых лучей, проходящих через треугольную призму. Каждая
секция световозвращателя состоит из четырех трехгранных ячеек, расположенных на его внутренней стороне и наклоненных под углом 900. Лучи света по-
82
ступают на светоотражатель со стороны внешней гладкой поверхности и после
отражения от трехгранных ячеек выходят в обратном направлении (рис. 6.12).
Рис. 6.12. Схема ячейки световозвращателя
На транспортном средстве должны симметрично располагаться два передних световозвращателя белого цвета и два задних – красного цвета. На автопоездах и автобусах длиной более 6 м кроме этого должны располагаться боковые световозвращатели оранжевого цвета. Прицепные звенья должны оснащаться передними белыми световозвращателями круглой или прямоугольной
формы и задними красными световозвращателями треугольной формы с симметричным расположением.
Приборы внутреннего освещения должны предусматриваться в кабине
водителя грузового автомобиля, пассажирском салоне легкового автомобиля
или автобуса, в подкапотном пространстве, багажном отсеке, вещевых ящиках.
Кабина грузового автомобиля и пассажирский салон легкового автомобиля должны освещаться одним или несколькими светильниками, выдающими не
слепящий рассеянный свет. Для обеспечения таких характеристик внутренняя
сторона рассеивателя выполняется в виде матовой поверхности с коэффициентом пропускания света в пределах 0,74 - 0,83 [2]. Применение для этих целей
молочных стекол нецелесообразно ввиду малого коэффициента пропускания в
пределах до 0,5. Источники света могут располагаться в средней части потолка
либо в местах, обеспечивающих наибольший комфорт по восприятию световых
лучей.
В салонах автобусов освещенность на высоте 1 м от пола должна быть не
менее 80 лк. В современных условиях для этих целей иногда используются светильники с люминесцентными лампами, выдающими свет со спектром, близким к спектру дневного света. Для питания таких ламп требуется переменный
ток напряжением 110 или 220 В. Промышленностью освоено производство люминесцентных ламп со встроенными полупроводниковыми преобразователями
постоянного тока напряжением 12 или 24 В в переменный ток указанных уровней напряжения и частотой порядка 1,0 кГц. Высокий уровень частоты переменного тока подавляет реакцию лампы на колебания питающего напряжения и
снижает зрительный дискомфорт от стробоскопического эффекта. Использование индивидуальных преобразователей тока позволяет исключить применение
в системе электроснабжения автобуса высоковольтных электрических цепей с
83
повышенными требованиями по безопасности. В качестве основных достоинств
люминесцентных ламп могут рассматриваться не только их спектральные характеристики, но и более высокая светоотдача при меньшей затрате энергии, а
также больший в 3 … 4 раза по сравнению с лампами накаливания срок службы.
Конструкция приборов освещения подкапотного пространства и багажного отделения должна обеспечивать возможность осмотра освещаемого пространства без зрительного дискомфорта. При этом световые приборы могут
оборудоваться поворотными колпаками с внутренней отражающей поверхностью. Светотехнические характеристики таких приборов до настоящего времени не нормированы. В качестве источников света в данном случае могут применяться как лампы накаливания, так и люминесцентные лампы, либо мощные
светодиоды.
Освещение шкал контрольно-измерительных приборов должно обеспечивать хорошую видимость их показаний в темноте и не вызывать повышенного утомления глаз водителя от чрезмерно яркого света. Включение контрольных световых сигнализаторов при этом должно быть хорошо заметно. Эффективность освещения приборов повышается при соответствующем сочетании
цвета освещающей лампы и цвета шкалы. Как установлено проведенными исследованиями [1], наименее утомительным для водителя и наиболее эффективным по восприятию является освещение черной шкалы с белыми цифрами и
красной стрелкой зеленым источником света. В определенных случаях вместо
ламп накаливания могут применяться светодиоды соответствующих цветов.
При этом сигнализаторы, свидетельствующие о нахождении подконтрольного
показателя в заданных пределах, должны выполняться в виде элемента зеленого
цвета. При приближении показателя к граничной зоне может включаться сигнализатор желтого цвета. Выход показателя за установленные границы должен
сопровождаться включением красного сигнализатора, показания которого могут сопровождаться звуковым сигналом.
6.1.4. Источники света
В современных условиях в качестве источников света транспортных и
транспортно-технологических машин могут рассматриваться лампы накаливания, газоразрядные лампы или светодиоды.
Основным требованием к автомобильным световым приборам головного
освещения является постоянная готовность к работе, отчего в качестве источников света в них могут использоваться только лампы накаливания. Требования к их параметрам и областям применения нормируются Правилом № 37
ЕЭК ООН и ГОСТ 2023.1-88. В качестве характеристик лампы, определяющих
ее соответствие типу светового прибора, выступают: категория и тип лампы,
номинальное и расчетное напряжения, электрическая мощность, контрольный
световой поток, световая отдача, средняя продолжительность работы, тип цо-
84
коля, масса, геометрические координаты нитевой системы относительно базовой плоскости.
Электрическая мощность лампы Рл есть произведение напряжения на
контактах лампы Uл на потребляемый лампой ток Iл,
Рл = U л I л .
Контрольный световой поток есть номинальный световой поток эталонной лампы, при котором определяются оптические характеристики светового
прибора.
Световая отдача лампы ηл есть отношение светового потока лампы Iсв к
потребляемой лампой мощности Рл,
ηл =
I св
.
Рл
Средняя продолжительность горения лампы tср определяется в виде среднего арифметического от продолжительности горения ti нескольких ламп в партии,
t ср =
∑t
nл
i
,
где nл – количество ламп в испытуемой партии.
Основными элементами автомобильной лампы (рис. 6.13) являются стеклянная колба 1, нити накала 2, цоколь 3 с фиксирующим фланцем 4, штифт 5,
контактные выводы 6.
Цоколь служит для крепления лампы в патроне и подключения энергии к
контактным выводам. Крепление колбы к цоколю осуществляется посредством
высокотемпературного клея. Для более точной фиксации нитей накала относительно фокуса светового прибора служит фиксирующий фланец, позволяющий
устанавливать лампу в световой прибор только в строго определенном положении. Размеры и расположение нитей накала в лампе определены нормативными
документами.
1
2
4
3
5
6
Рис. 6.13. Автомобильная двухнитевая лампа: 1 – колба; 2 – нити накала;
3 – цоколь; 4 – фиксирующий фланец; 5 – штифт; 6 – контактные выводы
85
При подключении электрического тока нить накала лампы нагревается и
при высокой температуре начинает излучать свет. Энергия светового излучения
при этом не превышает 6 … 8 %. Остальная часть затрачиваемой на нагрев нити накала энергии расходуется на тепловое излучение. Материалом для изготовления нити накала служит вольфрам, имеющий характеристику температуры плавления 3380 0С.
Повышение температуры нити накала позволяет увеличить яркость и световой поток, а также приблизить спектр светового потока лампы к спектру
дневного света, при котором человеческий глаз испытывает наименьшее утомление и наиболее полное восприятие зрительной информации. Однако чрезмерное увеличение температуры нити накала приводит к интенсификации потока
молекулярной эмиссии, то есть к отхождению от неё при высокой температуре
молекул вольфрама, которые осаждаются на внутренней поверхности колбы и
затрудняют прохождение через неё светового потока. В результате температурного перегрева масса нити накала уменьшается, и лампа вскоре перегорает.
Исходя из указанных особенностей работы, в практике автомобилестроения нашли применение следующие типы автомобильных ламп:
- с вакуумной колбой;
- с газонаполненной колбой;
- с восстанавливающим циклом.
В лампе с вакуумной колбой температура нити накала находится в пределах 1500 … 1800 0С, в результате чего лампа выдает спектр с преобладанием
желтых и розовых тонов, что приводит к повышенной утомляемости глаз и
ухудшению восприятия изображения.
Заполнение внутренней поверхности колбы инертными по отношению к
вольфраму газами в некоторой степени замедляет процесс молекулярной эмиссии и позволяет увеличить температуру нити накала до 2000 … 2200 0С. Такое
решение позволяет несколько приблизить характеристики спектра лампы к
спектру дневного света, однако удлинение срока службы лампы при этом не
достигается.
Наличие восстанавливающего цикла позволяет резко затормозить процесс снижения массы нити накала от молекулярной эмиссии и одновременно
повысить её рабочую температуру до 2700 … 2800 0С, что существенно позволяет приблизить состав её спектра к спектру дневного света. В лампе с восстанавливающим циклом внутреннее пространство колбы заполняется парами галогенов, в качестве которых могут использоваться йод, бром, а также их соединения, йодистый метил CH2I2 или бромистый метилен CH3Br2. Рабочий процесс
такой лампы протекает следующим образом. Отошедшая от нити накала молекула вольфрама по пути к внутренней поверхности стенки колбы при температуре 1000 … 1200 0С вступают в химическую реакцию с парами галогена, образуя молекулу прозрачного соединения, например, иодистого вольфрама WI2.
Циркулируя по внутреннему пространству колбы под действием конвенктивного теплообмена, эта молекула попадает на нить накала, где при температуре по-
86
рядка 3000 0С она разлагается на молекулу вольфрама, соединяющуюся с нитью
накала, и молекулу галогена, которая аналогичным образом вступает в реакцию
с другой, отошедшей от нити накала молекулой вольфрама, и цикл повторяется.
Для обеспечения непрерывности протекания восстановительного цикла необходимо наличие высокой температуры на стенках колбы: 800 … 900 0С на
внутренней поверхности и 700 … 800 0С на наружной поверхности. В связи с
этим для изготовления колб галогенных ламп применяется кварцевое стекло,
выдерживающее такую температурную нагрузку. Кроме этого, после установки
галогенной лампы в фару необходимо провести очистку её колбы спиртом,
иначе при высокой температуре произойдет обугливание следов рук, что вызовет снижение световой отдачи лампы.
Наиболее неблагоприятный режим работы галогенной лампы возникает в
момент включения, когда температура нити накала низка и, следовательно,
низко её сопротивление. При этом ток в момент включения в 10 … 15 раз превышает ток, потребляемый лампой в рабочем режиме. После того как нить накала лампы достигнет рабочей температуры, её сопротивление возрастает и,
тем самым, стабилизирует ток лампы на заданном уровне. Исходя из этого, импульсный режим кратковременного включения является нежелательным для
ламп с восстанавливающим циклом, в то время как для ламп с вакуумными или
газонаполненными колбами короткие промежутки включения нисколько не
снижают их срок службы.
Конструкция автомобильных ламп подчинена требованиям Правил № 37
ЕЭК ООН, которыми предусмотрено три категории однонитевых галогенных
ламп Н1; Н2; Н3 и одна категория двухнитевой лампы Н4. Лампы Н1 и Н2
имеют продольно расположенные цилиндрической формы нити накала и различаются только конструкциями цоколей. Наибольшее распространение получила лампа Н3, имеющая перпендикулярно расположенную к оси нить накала.
В лампе Н4 нить накала дальнего света цилиндрической формы расположена
параллельно продольной оси, а нить накала ближнего света, также в форме цилиндра, расположена впереди нити дальнего света на продольной оси лампы.
Отечественной промышленностью выпускаются однонитевые галогенные
лампы типа АКГ (автомобильная кварцевая галогенная) категорий Н1 и Н3, а
также двухнитевые лампы категории Н4 (табл. 6.1).
87
Таблица 6.1
Галогенные лампы отечественного производства
Категория
Обозначение
Н4
АКГ 12-60+55
АКГ 24-75+70
АКГ 12-55-1
АКГ 24-70-1
АКГ 12-55
АКГ 24-70
Н3
Н1
Номинальное
напряжение, В
12
24
12
24
12
24
Светоотдача, Св
в режиме
в режиме
ближнего
дальнего
света
света
60
55
75
70
55
70
55
70
Исходящий от лампы световой поток определяется уровнем расчётного
питающего напряжения, которое несколько отличается от номинального. При
номинальном напряжении 12 В расчётное напряжение должно находиться на
уровне 13,3 … 14,2 В и при уровне 24 В, соответственно, 26,6 … 28,4 В. При
определении расчётного напряжения, подводимого к контактам цоколя лампы
Uл, необходимо учитывать падение напряжения в цепи ΔUц, обусловленное её
сопротивлением,
U л = U г − ΔU ц ,
где Uг – напряжение на контрольной точке генератора.
ΔU ц = Rс I л ,
При этом
где Rц – сопротивление цепи питания лампы;
Iл – ток лампы.
Ксеноновые лампы. Ксеноновая лампа представляет собой газоразрядный энергосберегающий источник света с длиной волны 470 нм. Галогенная
лампа создаёт свет с длиной волны 550 нм. Согласно закону Релея замещение в
фаре галогенной лампы ксеноновой, при имеющихся микронеровностях отражателя, приводит к значительному увеличению угла рассеивания, следствием
чего можно рассматривать увеличение слепящего действия такой фары. Исходя
из этого, замена галогенных ламп на ксеноновые не допускается по условиям
безопасности движения. Вместе с тем, в связи с введением требования движения транспортного средства с постоянно включённым ближним светом фар, к
таким фарам не предъявляется требование постоянной готовности к работе и в
этих фарах допускается нахождение источников света с адаптационным периодом. Ксеноновая лампа, как и другие газоразрядные световые приборы, имеет
такой период, между моментом включения и началом полной светоотдачи, порядка 3 … 15 с.
К основным достоинствам ксеноновой лампы следует отнести спектр светового потока наиболее приближённый к спектру дневного света, а также энер-
88
госберегающий рабочий режим в сравнении с лампами других типов. Питание
ксеноновых ламп от бортовой сети осуществляется через преобразователь, создающий на выходе переменный ток напряжением 85 В с частотой 100 Гц. Кроме этого, в связи с различными размерами габаритных тел накала галогенной
лампы и искрового разряда ксеноновой лампы, требуется иная кривизна параболоидного отражателя. Для ликвидации эффекта слепящего действия путём
снижения угла рассеивания фары с ксеноновой лампой, её отражатель должен
выполняться по более высокому классу требований содержания микронеровностей, что требует наличия высоких технологий производства, что сопровождается значительным повышением стоимости фар с ксеноновыми лампами. В связи с последним обстоятельством фары с ксеноновыми лампами в настоящее
время получают ограниченное распространение. Более того, в связи с более
широким распространением светодиодных источников света, применение газоразрядных ламп уходит в прошлое.
Светодиодные источники света в настоящее время могут рассматриваться в качестве наиболее перспективных элементов, способных к замещению
традиционных источников света. Появление мощных светодиодов с высокой
светоотдачей и заданными характеристиками спектра предопределило процесс
появления светодиодных световых приборов. В сравнении с лампами накаливания и газоразрядными лампами светодиоды при такой же светоотдаче потребляют намного меньше энергии и имеют в несколько раз больший срок службы.
Данные обстоятельства позволяют наряду с экономией энергии снизить массу
питающих проводов и повысить надёжность светотехнического оборудования.
Однако в качестве недостатков, препятствующих более широкому использованию светодиодов в световых приборах, выступают некоторая зависимость светоотдачи от температуры окружающей среды и трудности в создании концентрированного пучка света, исходящего от светового прибора, где световой поток создаётся несколькими симметрично расположенными светодиодами. Исходя из этого, в современных условиях светодиоды в качестве источников света
применяются в световых приборах, где не требуется наличие концентрированного светового потока: в габаритных и стояночных огнях, сигналах торможения, дневных ходовых огнях, в фонарях освещения номерного знака, пассажирского салона и так далее. Применение светодиодов в фарах головного освещения вследствие указанных недостатков пока представляется затруднительным.
Однако это не значит, что в ближайшей перспективе такие трудности не будут
преодолены.
89
6.1.5. Система обозначения ламповых световых приборов
Автомобильные световые приборы (табл. 6.2) как составные элементы
конструктивной безопасности перед началом производства должны быть аттестованы на соответствие Правилам ЕЭК ООН с получением знака международного утверждения. Знак международного утверждения представляет собой круг
с вписанной буквой Е и номером страны, – участницы Соглашения, выдавшей
разрешение на официальное утверждение. Знак наносится на рассеиватель светового прибора. Номера присвоены странам в порядке ратификации ими Соглашения. Под знаком или справа от него указывается порядковый номер официального утверждения прибора.
Под знаком над порядковым номером официального утверждения может
стоять горизонтальная стрелка, указывающая, что световой прибор сконструирован только для автомобилей, используемых в странах с левосторонним или
правосторонним движением. Двухсторонняя стрелка в обозначении фары указывает на возможность её использования с соответствующей регулировкой положения лампы в обоих вариантах движения. На фарах, используемых в странах с правосторонним движением, стрелка не ставится.
В обозначении светосигнальных фонарей стрелки указывают на соответствующие направления, в которых обеспечивается требуемый геометрический
угол видимости сигнала в горизонтальной плоскости. При установке передних
и задних указателей поворота стрелка должна быть направлена к близлежащей
боковой части автомобиля, а при установке боковых повторителей – вперед по
ходу движения.
В прямоугольнике, размещаемом над знаком официального утверждения,
располагаются буквы C, R, S, H. Буквы С и R обозначают, что фара удовлетворяет европейским нормам в отношении ближнего или дальнего света. Наличие
двух букв CR указывает на то, что оптическая система фары предусмотрена в
двух режимах – ближнего и дальнего света.
Буква S обозначает наличие цельностеклянного оптического элемента
лампы – фары. Отсутствие буквы S указывает на наличие металлостеклянного
элемента. Буква Н указывает на возможность использование в световом приборе только галогенных ламп. Справа от знака на фарах с галогенными лампами
указывается округлённое значение силы света фары в Кд при дальнем свете. На
рассеивателях задних габаритных огней в квадрате над знаком официального
утверждения наносится буква R. Буквой А обозначаются передние габаритные
огни.
90
Таблица 6.2
Световой
прибор
Фары головного освещения и противотуманные
фары
Габаритные
огни
Обозначение световых приборов
Знак международного утверждения
R
C
E2
E2
296
297
Сигналы торможения
Световозвращатели
Задние противотуманные
фонари
CSR
Е2
Е2
258
180
А
Е2
Указатели поворотов
CR
518
1
HR
Е2 20
182
R
Е2
1021
2a
HCR
Е2 25
185
HSCR
Е2
148
R
Е2
1021
2b
Е2
Е2
Е2
680
R-S1
851
R-S2
456
S1
Е2
Е2
Е2
596
512
1022
I Е2 147
В
Е2
00242
Над знаком официального утверждения указателей поворотов указывается категория прибора. К категории 1 относятся передние однорежимные указатели поворотов, к категориям 2а и 2b соответственно относятся однорежимные
и двухрежимные задние указатели поворотов. Боковые повторители указателей
поворотов разделены на категории 3; 4 и 5.
91
Рис. 6.. 14. Блокк – фара гооловного освещения: а – вн
нешний ви
ид;
б – горизоонтальны
ый разрез;; 1 – ламп
па габариттного фон
наря; 2 – лампа
л
двухррежимной
й фары бллижнего и дальнего
о света; 3 – лампа ууказателяя поворотта;
4 – рассеиватель
В обознаачении свветовозвраащателей
й слева отт знака оофициальн
ного утвеерждени
ия ставятсся римски
ие цифры
ы I; II; IIII, указываающие ихх категор
рию. Светтовозвраащатели категори
ии I пред
дназначен
ны для установкки на вн
недорожны
ые
трансп
портные средства
с
шириной
й более 1,6 м. Свеетовозвращ
щатели категории
к
и II
преднаазначены
ы для исп
пользования дорож
жных тран
нспортны
ых средсттв ширин
ной
до 1,6 м. Светоовозвращаатели каттегории IIII устанаввливаютсяя на приц
цепные зввенья автопоездов.
О
Одно
– или
и двухррежимные сигналы
ы тормож
жения обозначаюттся знакам
ми
S1 или
и S2.
В настояящее врем
мя автом
мобильные световы
ые прибооры комп
понуютсяя в
блочноое исполн
нение раззличной конфигур
к
рации. Прри этом в передни
ие световы
ые
блоки включаю
ются фары
ы головноого освещ
щения ближнего и дальнегго света, гаг
баритн
ные фонаари, указатели поворотов, противоттуманныее фары, стояночны
с
ые
огни, светоотра
с
ажатели белого
б
цввета. Задн
ние световвые блокки содерж
жат габари
ит-
92
ные фонари, сигналы торможения, указатели поворотов, фары заднего хода,
стояночные огни, задние противотуманные фонари, светоотражатели красного
цвета.
Применение блочных световых приборов (рис. 6.14) позволяет улучшить
автомобильный дизайн, а также упростить схему включения составных элементов. Применение общего рассеивателя позволяет улучшить его очистку.
Недостатком блочного исполнения световых приборов является невозможность их унификации для использования на различных транспортных средствах, а также невозможность взаимозаменяемости правого и левого световых
блоков.
6.2. Вспомогательное оборудование
К вспомогательному электрооборудованию относится группа приборов и
устройств, обеспечивающих звуковую сигнализацию, отопление и вентиляцию
места водителя и пассажирского салона, очистку стекол и световых приборов,
подъем и опускание стекол, радиоприем, радиосвязь и другие вспомогательные
функции.
6.2.1. Приборы звуковой сигнализации
Звуковые сигналы предназначены для оповещения других участников
движения о приближении транспортного средства или о состоянии его агрегатов, а также о срабатывании охранной сигнализации. Исходя из этого, звуковые
сигналы могут быть подразделены по следующим признакам:
- приборы внешней сигнализации, передающие информацию другим
участникам движения;
- приборы внутренней сигнализации, передающие информацию водителю о выходе контролируемых показателей работы систем за установленные
пределы.
В зависимости от источника энергии внешние звуковые сигналы могут
быть электрическими вибрационными или пневматическими.
По характеристикам звучания внешние электрические вибрационные звуковые сигналы могут быть подразделены на шумовые и тональные. Конструктивные схемы таких сигналов могут быть выполнены в двух разновидностях: с
рупорным резонатором или с дисковым резонатором. При этом шумовые сигналы оснащаются дисковым резонатором, а тональные – рупорным.
На современных транспортных машинах устанавливается комплект из
двух звуковых сигналов – одного низкого и одного высокого тона. На легковых
автомобилях представительского класса устанавливается комплект из трех сигналов – одного низкого и двух высокого тона. После установки на автомобиль
сигналы настраиваются на требуемую звуковую частоту и включаются одновременно. В некоторых случаях на автомобили особо малого класса устанавливается один звуковой сигнал с дисковым резонатором. Частотный диапазон
действия звуковых сигналов обычно находится в пределах 300 … 600 Гц. Раз-
93
ница основных
о
х частот звука
з
сигн
налов низзкого и высокого
в
тонов сосставляет 70
… 1000 Гц. Однако, по данным [11], наибо
олее хорош
шо переккрывают шум
ш движ
жения и слышны
ы в кабине обгоняеемого авттомобиляя сигналы
ы с частотным спеектром в пределаах 1800 … 3550 Гц. Звуковвое давлеение внеш
шних сигн
налов нахходится в пределлах 105 … 125 дБА.
д
Преввышение указанных предеелов мож
жет
травми
ировать органы
о
сллуха человвека.
Д исключения влияния
Для
в
м
массы
авттомобиля на звукоовые хараактеристи
ики
сигналла примен
няется егоо упругаяя подвескка. Вихреввое движеение возд
духа, возн
никающеее при дввижении автомоби
а
иля, уменььшает рассстояние слышимо
ости сигн
нала; тем
м более ощ
щутимо, чем
ч вышее скоростть автомоб
биля.
П
Питание
звуковыхх сигналоов осущесствляется от бортоовой сети
и номиналльным напряжени
н
ием 12 или 24 В в повторно - краттковремен
нном реж
жиме с дллительноостью раб
бочего ци
икла 5 с. Основны
ыми исполлнительны
ыми элем
ментами тат
электром
ких си
игналов являются
я
магнит с катушкой
к
й, подклю
юченной к сети питтания чеерез контакты преррывателяя и якорь электром
магнита, ссоединенн
ный со зввукоизлуучающей мембран
ной. В ред
дких случ
чаях при наличии в бортоввой сети пеп
ременн
ного токаа, наприм
мер, на мопедах
м
или
и легки
их мотоци
иклах, мо
огут прим
менятьсяя сигналы
ы с мембрраной, реаагирующеей на изм
менение ам
мплитуды
ы и частотты
перемеенного тоока в силоовой катуушке.
Рис. 6.15.
6
Шум
мовой сиггнал С3044 с дисковвым резон
натором: 1 – корпу
ус; 2 – ярм
мо
элеектромагн
нита; 3 – электром
э
магнитная катушка; 4 – якоррь; 5 – сер
рдечник;
6 – держатель
д
ь подвижн
ного конттакта прер
рывателя; 7 – конттакты прерывателяя;
8 – мем
мбрана; 9 – крышкка мембрааны; 10 – дисковый
й резонаттор
П
Питание
катушки электром
магнита 3 (рис. 6.15) подаеется череез контактты
преры
ывателя 7. Возникаающий в катушке
к
3 магнитн
ный потоок притяги
ивает якоорь
4 к серрдечникуу 5. При этом
э
переемещающ
щийся высступ якорря действвует на деержательь 6 подви
ижного коонтакта прерыватееля и разррывает цеепь питания катуш
шки
3 элекктромагни
ита. Послле этого под
п дейсттвием упрругой силлы мембр
рана возврращаетсяя в исход
дное состоояние, в результат
р
те чего коонтакты п
прерыватееля замыкка-
94
ются и цикл поовторяется. Для ум
меньшени
ия искрения междуу контакттами преррывателяя может быть вклю
ючен конд
денсатор емкостью
е
ю 0,4 … 0,6 мкФ.
З
Звуковая
частота шумовогго сигнал
ла с дискковым реезонаторо
ом в знач
чительноой мере зависит
з
отт толщин
ны мембр
раны. Увееличение толщины
ы мембран
ны
вызыввает сниж
жение часстоты звууковых ко
олебаний, и наобоорот, сни
ижение тоолщины мембраны привод
дит к увелличению частоты
ч
з
звуковых
колебани
ий.
Рис. 6.16. Тоналльный звууковой си
игнал С3008
с рупо
орным реззонатором
м: 1 – кор
рпус;
2 – сер
рдечник электрома
э
агнита; 3 – якорь;
4 – каттушка элеектромагн
нита; 5 – ярмо
я
электр
ромагнитаа; 6 – мем
мбрана; 7 – корпус
рупорн
ного резоонатора; 8 – крышкка
резонаатора
Регулировка звукоовой часттоты шум
Р
мового си
игнала оссуществляяется повворотом винта, раасположеенного на его заднеей крышкке. При эттом регул
лировочны
ый
винт изменяет
и
амплитуд
ду хода подвижно
п
ого контаакта преры
ывателя. Принцип
пиально рабочий процесс тональн
ного звуко
ового сиггнала (ри
ис. 6.16) аналогич
чен
действвию шумоового сиггнала. Основное егго отличи
ие состои
ит в том, что резон
натором его сигнаала является столб
б воздуха,, находящ
щийся в руупоре.
Э
Эффект
р
рупорного
о резонаттора обраазуется поод давлен
нием мем
мбраны 6 на
столб воздуха, находящ
щийся в поолости между коррпусом реезонатораа 7 и крышкой 8.. Конфиггурация резонатор
а 7 обесп
р
печивает взаимное наложеение часттот
колебааний мем
мбраны 6 и воздуш
шного стол
лба в рупоре. Этим
м достигаается знач
чительноое увелич
чение ам
мплитуды звуковы
ых колебааний опрределенно
ой частотты.
Для поовышени
ия эффектта резонан
нсного нааложенияя частот оосуществвляется раасширен
ние концаа рупорноого резон
натора. Настройка
Н
а тональн
ного сигнала на трребуемую
ю звуковвую частооту осущеествляетсся путем изменени
ия хода подвижно
п
ого
контаккта преры
ывателя. При
П этом
м определ
ленное значение им
меет объеем воздухха,
находяящегося в рупоре.
В сравнеении с шумовым
ш
ми сигнаалами, поотребляю
ющими то
ок поряд
дка
4 … 6 А, тоналльные сиггналы поттребляют ток до 100 А, в свяязи с чем их включ
чение поосредствоом механи
ических кнопок
к
окказываетсся нежелаательным.. Для включения таких сиггналов (рис. 6.17) используются проомежуточн
ные реле..
95
К1Рс
Тс
Шс
Кнс
Б
Рс
Рис. 6.17. Схема включения звуковых сигналов: К1Рс – контакты реле
включения сигналов; Кнс – кнопка управления звуковыми сигналами;
Тс – тональный сигнал; Шс – шумовой сигнал; Б – аккумуляторная батарея;
Рс – реле включения сигналов
При нажатии на кнопку управления сигналами Кнс подается электропитание на обмотку реле включения сигналов Рс. Возникающая при этом магнитодвижущая сила притягивает якорек реле и замыкает контакты этого реле
К1Рс, чем обеспечивается подача тока к контактам звуковых сигналов Тс и Шс
и их параллельное включение. Такое решение позволяет направлять относительно большой ток, порядка 20 - 30 А, потребляемый звуковыми сигналами,
через контакты реле Рс, чем обеспечивается разгрузка контактов кнопки Кнс.
Через контакты кнопки управления сигналами проходит небольшой ток, потребляемый обмоткой реле Рс, порядка 1 А, что позволяет снизить вероятность
отказа цепи включения сигналов из-за окисления контактов кнопки от искрения. Для обеспечения постоянной готовности звуковых сигналов к работе цепь
управления работой звуковых сигналов обычно не защищается от короткого
замыкания посредством включения плавких предохранителей, так как существующая вероятность их перегорания значительно снижает надежность системы.
В некоторых случаях для защиты цепи используются термобиметаллические
предохранители, имеющие в сравнении с плавкими больший период задержки
размыкании цепи при перегрузках по току.
6.2.2. Электропривод вспомогательного оборудования
К вспомогательному оборудованию относится система узлов, приборов и
аппаратов, обеспечивающих возможность работы транспортного средства в неблагоприятных условиях, а также создание для водителя и пассажиров достаточно комфортной обстановки по наличию отопления и вентиляции, очистке
стекол, радиосвязи, подъему и опусканию стекол дверей, приводу замков и так
далее.
В зависимости от класса конструкция современного автомобиля предусматривает наличие до 30 и более узлов вспомогательного оборудования, действие которого обеспечивается электроприводом. Электропривод представляет
собой электромеханическую систему, объединяющую электродвигатель, пере-
96
даточный механизм, исполнительный механизм, коммутационную аппаратуру
и аппаратуру управления электродвигателем. В некоторых случаях электропривод может включать несколько электродвигателей и, соответственно, передаточных механизмов.
Объектами использования вспомогательного оборудования с электроприводом являются: нагнетатели воздуха системы отопления и вентиляции салона,
обдува радиатора, предпусковые подогреватели, стекло- и фароомыватели,
стекло- и фароочистители, механизмы подъема и опускания стекол, нагнетания
топлива от бака к двигателю, механизмы выдвижения антенн, поворота фарискателей и прожекторов, механизмы регулировки положения сидений и так
далее. Довольно часто конструкция механизма предусматривает объединение
электродвигателя с системой передачи энергии и частично с системой управления и защиты. При этом электродвигатель, объединенный с редуктором, представляет собой моторедуктор, а электродвигатель, объединенный с насосом,
может рассматриваться как мотонасос.
Основным показателем, характеризующим длительность рабочего цикла
электродвигателя, рассматривается его рабочий режим, который может быть:
продолжительным, кратковременным или повторно-кратковременным.
Продолжительный режим характеризуется неограниченной по времени
длительностью рабочего цикла, при которой температура электродвигателя и
других устройств привода находится в заданных границах. В качестве примеров могут быть рассмотрены нагнетатели воздуха системы отопления и вентиляции салона, электродвигатели стеклоочистителей непрерывной работы, электробензонасосы.
Кратковременный режим характеризуется относительно короткими
промежутками времени включения, в течение которых температура электродвигателя не успевает достичь предельного значения. Перерыв в работе механизма оказывается достаточным для охлаждения электродвигателя до температуры окружающей среды. В кратковременном режиме работают электродвигатели механизмов подъема и опускания стекол, выдвижения антенн, регулировки сидений и т.д.
Повторно-кратковременный режим характеризуется периодическим
чередованием циклов работы и пауз остановки. При этом во время работы температура электродвигателя не успевает достичь предельного значения, а во
время остановки она не успевает снизиться до температуры окружающей среды. В качестве примера устройств, работающих в таком режиме, могут быть
рассмотрены электродвигатели стеклоочистителей периодического включения,
электродвигатели стеклоомывателей и т.д. Основным показателем повторнократковременного режима является относительная продолжительность включения ПВ, представляющая отношение
ПВ =
tр
Тц
,
97
где tр – временной промежуток работы электродвигателя;
Тц – время цикла, определяемое суммой
Т ц = tр + tо ,
где tо – временной промежуток отдыха электродвигателя.
Требования, предъявляемые к электродвигателям, обусловлены режимами работы узлов. Электродвигатели отопителей и вентиляторов имеют продолжительный режим работы и обладают малым пусковым моментом. Электродвигатели стеклоподъемников должны обладать большим пусковым моментом
при кратковременном режиме работы. Электродвигатели стеклоочистителей
должны обладать жесткой механической характеристикой, обеспечивающей
постоянство частоты вращения вала при переменных нагрузках. Электродвигатели предпусковых подогревателей, выдвижения антенн, наклона фар должны
нормально работать в широком диапазоне температур окружающего воздуха.
В автомобильной и тракторной промышленности нашли применение
электродвигатели постоянного тока номинальным напряжением 12 и 24 В. Номинальная мощность таких электродвигателей соответствует ряду 6; 10; 16; 25;
40; 60; 90; 120; 150; 180; 250; 370 Вт при номинальных частотах вращения вала
из ряда 2000; 2500; 3000; 4000; 5000; 6000; 8000; 9000; 10000 мин-1. В зависимости от требуемой механической характеристики электродвигатели электромагнитного возбуждения имеют последовательное или параллельное возбуждение.
Электродвигатели, работающие в реверсивном режиме, оснащаются двумя обмотками возбуждения. При этом перспективным направлением в настоящее
время считается конструкция электродвигателей мощностью до 120 Вт с возбуждением от постоянных магнитов. Это позволяет в определенной мере
уменьшить их массогабаритные параметры, повысить КПД, повысить безотказность и долговечность за счет упрощения электрической схемы. Кроме этого,
все электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов могут работать
в реверсивном режиме.
Источником магнитного потока в таких электродвигателях (рис. 6.18) являются расположенные в статоре постоянные магниты 2, имеющие несколько
пар полюсов. Опорами вала ротора являются металлокерамические подшипники скольжения 1 и 5, располагаемые в передней и задней крышках 8 и 12, которые крепятся к корпусу посредством стяжных винтов. Электропитание силовой
обмотки якоря производится посредством контакта щеток 4 с коллектором 6. В
конструкции электродвигателей мощностью до 100 Вт в качестве опор ротора
используются подшипники скольжения с металлокерамическими вкладышами.
Электродвигатели большей мощности оснащаются шариковыми или роликовыми радиально-упорными подшипниками качения с запасом смазки, рассчитанным на весь период эксплуатации.
98
Рис. 6.18. Электрод
Р
Э
двигатель с возбуж
ждением от
о постоян
нных маггнитов:
1 – передни
ий подшипник; 2 – постоянн
ные магни
иты; 3 – щ
щеткодержатель;
4 – щетка; 5 – задний
й подшип
пник; 6 – коллектор
к
р; 7 – трааверса; 8 – задняя
кры
ышка; 9 – пластинаа; 10 – пруужины по
остоянныхх магнитоов; 11 – ваал якоря;
12 – крышка передняяя
Электрод
Э
двигатели
и мощносстью болеее 100 Втт, как правило, об
борудуюттся
обмотккой возбууждения, располаггаемой наа сердечн
никах, в ккачестве которых
к
и
использууются посстоянныее магниты
ы. Для об
беспечени
ия жёсткоой механи
ической хах
рактерристики электродв
э
вигателя обмотка
о
возбужде
в
ения вклю
ючается параллель
п
ьно
обмоткке якоря.
П
При
необ
бходимоссти работты электр
родвигатееля с жессткой механическкой
характтеристикоой в режи
име с нескколькими
и скоростяями обмотка возбу
уждения осо
нащается допоолнительн
ными вывводами, на
н которы
ые подаеттся электтропитани
ие,
исходяя из потрребности в скоросттном режи
име. Элекктродвигаатели с возбужден
нием отт постоян
нных маггнитов об
борудуюттся дополнительн
ными щеттками, при
п
включ
чении или
и отключеении котоорых измееняется чаастота враащения якоря.
Э
Электрод
двигатели
и приводаа систем отоплени
ия и вентиляции, а также нан
гнетан
ния воздууха предп
пусковыхх подогреевателей должны
д
иметь мо
ощность до
-1
40 Вт при частооте вращения валаа в диапазоне 25000 … 30000 мин , об
бладать жеж
сткой механич
ческой хаарактерисстикой и работатьь в диап
пазоне оккружающ
щих
0
темперратур от – 40 до + 70 С. Скоросттной реж
жим такогго электр
родвигатееля
должеен иметь 2 или 3 сттупени.
99
Рис. 6.19. Моторедуктор привода стеклоочистителя: 1 – шестерня; 2 – червяк;
3 – выходной вал; 4 – корпус редуктора; 5 – зубчатый сектор; 6 – серьга;
7 – зубчатый сектор; 8 – корпус; 9 – постоянный магнит; 10 – якорь
электродвигателя
Электродвигатели привода стеклоочистительных установок и стеклоподъемников также должны обладать жесткой механической характеристикой,
обеспечивающей постоянство скорости перемещения рабочего органа независимо от сил сопротивления его движению. При этом для увеличения момента
на выходном валу и снижения частоты его вращения используется механический редуктор, объединяемый с электродвигателем. Единая конструкция (рис.
6.19) представляет собой моторедуктор, используемый для привода различных
механических систем: стеклоочистителей, фароочистителей, регулировки углов
наклона оптических осей фар, привода стеклоподъемников, выдвижения и поворота антенн, фар-искателей. В конструкциях автомобилей представительского класса моторедукторы используются для привода механизмов перемещения
крыш, открытия моторного и багажного отсеков, а также других вспомогательных механизмов.
В дополнение работы стеклоочистителей устанавливаются омыватели
ветрового и заднего стекол. Система омывателя стекла представляет собой небольшой бачок жидкости с центробежным насосом, приводимым от электродвигателя. Электродвигатель обладает жесткой механической характеристикой
и рассчитан на работу в кратковременном режиме. При включении электродвигателя жидкость под давлением до 0,1 МПа подается к форсункам, от которых в
распыленном виде смачивает стекло для облегчения работы щеток стеклоочистителя.
Очистка фар от грязи может производиться как посредством механических щеток, так и струйным способом посредством подачи потока жидкости на
стекло под давлением порядка 0,3 МПа. Струйный способ очистки фар оказывается более предпочтительным, поскольку представляет собой более простую
100
конструкцию, однако его применение требует большего объема омывающей
жидкости.
+
+
L
С
-
С
С
-
а
б
Рис. 6.20. Схемы включения емкостного (а) и емкостно-индуктивного (б)
фильтров: L – индуктивный элемент; С – емкостный элемент
Важным элементом в конструкции электродвигателя (рис. 6.20) является
уровень радиопомех, входящий в состав сертификационных требований европейского автомобилестроения. Основным источником радиопомех в данном
случае является искрение в щёточно-коллекторном узле. Для электродвигателей мощностью до 100 Вт оказывается достаточным применение встроенных
ёмкостных или ёмкостно-индуктивных фильтров, включаемых параллельно
щеточно-коллекторному узлу. Для электродвигателей мощностью более 100 Вт
подавление радиопомех осуществляется посредством выносных ёмкостноиндуктивных фильтров, а также экранированием корпуса электродвигателя на
массу автомобиля.
В качестве перспективного направления может рассматриваться создание
конструкций бесконтактных [22] электродвигателей постоянного тока с полупроводниковыми коммутаторами, замещающими механический коллектор. Положение ротора при этом определяется встроенными бесконтактными датчиками. Такое решение позволяет в несколько раз продлить ресурс электродвигателя, повысить его КПД и резко снизить уровень радиопомех. Требование по сокращению габаритной длины электродвигателей, применяемых, в частности,
для приводов вентиляторов обдува радиаторов, привело к созданию конструкций с торцовыми щеточно-коллекторными узлами и дисковыми якорями. При
этом возможны конструкции с расположением щеток внутри цилиндрического
коллектора.
Управление работой электродвигателей привода вспомогательных механизмов может осуществляться включателем в силовой цепи или посредством
контактов промежуточного реле по схеме, показанной на рис. 5.17.
101
6.3. Противоугонные системы
Противоугонная система рассматривается как элемент безопасности, препятствующий несанкционированному использованию автомобиля в отсутствие
водителя в ситуациях, угрожающих безопасности движения.
В современных условиях электронные противоугонные системы являются частью стандартного оборудования выпускаемого транспортного средства.
Порядок действия противоугонной системы определяется её алгоритмом, реализующим защиту автомобиля на следующих трёх уровнях.
Защита по периметру. Используются микровыключатели для контроля
за открывающимися элементами автомобиля. При попытке несанкционированного открытия одной из дверей, капота или багажника включается звуковой и
световой сигналы.
Защита по объёму. Посредством инфракрасных, ультразвуковых или
микроволновых датчиков контролируется движение в салоне автомобиля. При
появлении несанкционированного движения включается сигнал тревоги.
Иммобилизация двигателя. Блокируется пуск двигателя при получении
сигнала тревоги. Данное решение осуществляется следующими двумя способами.
- Аппаратной иммобилизацией, когда при получении сигнала тревоги
специальная аппаратура осуществляет разрывы в цепях управления пусковой
системой двигателя.
- Программной иммобилизацией, когда при получении сигнала тревоги
электронный блок управления двигателем блокирует калибровочные диаграммы подсистем зажигания и подачи топлива. Стартер может прокручивать коленчатый вал, но двигатель не запустится. Для повышения эффективности работы такой системы необходима адаптация электронного блока управления к
данному двигателю посредством алгоритмического кода, без введения которого
невозможна работа двигателя с другим работоспособным электронным блоком
управления.
Комплектация автомобиля противоугонными устройствами обычно определяется его классом или размерной группой. Минимальная комплектация предусматривает установку средств периферической защиты и аппаратной иммобилизации.
Управление работой противоугонного устройства. Выполнение данной функции осуществляется посредством дверного ключа, когда исключается
сканирование радиочастотного сигнала, либо от дистанционного пульта.
Система управления противоугонным устройством состоит из портативного передатчика, размещаемого в дистанционном пульте, носимого водителем
вместе с ключом зажигания и размещаемого в автомобиле приёмника, подключённого к электронному блоку управления двигателем и центральному замку. В
некоторых случаях передатчик может размещаться в ключе зажигания. Электропитание передатчика осуществляется от малогабаритных батареек. Испол-
102
нительный элемент передатчика выполняется на базе 8 или 16 – разрядного
микропроцессора.
Работу противоугонной системы можно рассматривать в двух режимах:
«режим ожидания» и «режим охраны». Переключение системы из одного режима в другой осуществляется передатчиком посылкой соответствующего
цифрового кода. Посылка кода может быть осуществлена посредством инфракрасного излучения, либо радиосигналом в УКВ-диапазоне. Сигнал инфракрасного излучения не создаёт электромагнитных помех и не может быть перехвачен для несанкционированного использования, однако этот сигнал может передаваться на небольшой дистанции и для его наведения на приёмник требуется
большая точность.
Управляющий УКВ-сигнал может быть передан на расстояние до 300 и
более метров, однако он может быть перехвачен и декодирован посредством
специальной аппаратуры. В связи с тем, что такой сигнал может являться источником радиопомех, законодательно установлен частотный диапазон работы
систем управления охранными устройствами.
Повышение секретности линий связи достигается использованием набора
кодов, когда при каждом включении передатчика происходит смена кода. Программное обеспечение приёмника синхронизирует его работу с передатчиком,
когда приёмник ожидает появление соответствующего очередного кода. Система может работать по циклическому набору кодов из заданного количества,
когда при очередном нажатии кнопки посылается следующий из заданного набора код, либо по программируемому набору кодов, когда приёмник ожидает
появление кода, определённого генератором случайных чисел. Данная система
не исключает появление сбойных ситуаций выхода из синхронизации приёмника и передатчика, возникающих при случайном нажатии кнопки управления вне
зоны связи. В таких случаях дистанционная система управления выключается
из работы, но при отпирании двери ключом система связи приёмника и передатчика вновь возвращается в режим синхронизации.
При включении приёмника в режим охраны запускается 16-разрядный
синхронизирующий счётчик. По определённому алгоритму генератор динамического кода вырабатывает динамический код объёмом до 32 бит в функции от
значения статического кода или секретного ключа и состояния синхронизирующего счётчика. Код нажатой кнопки, заводской номер пульта управления и
динамический код образуют управляющее слово объёмом до 70 бит, которое
передаётся приёмнику. Если идентификационный номер пульта управления,
статический код и состояние синхронизирующего счётчика известны программно-запоминающему устройству приёмника, принятая информация идентифицируется по номеру пульта, и обрабатывается. Далее включается синхронизирующий счётчик приёмника и в его генераторе случайных чисел вырабатывается динамический код. При совпадении динамических кодов приёмника и
передатчика переданная команда выполняется.
103
В качестве статических кодов приёмника и передатчика используются их
заводские номера. Генератор динамического кода, работающий от
16-разрядного микропроцессора, вырабатывает 65635 различных меняющихся
по заданному алгоритму комбинаций кода. При включении противоугонной
системы 25 раз в сутки, код повторится через 2620 суток.
Системы дистанционного управления противоугонными устройствами
являются криптографическими, то есть вероятность расшифровки кода тем
меньше, чем больше длина статического кода.
Современные противоугонные системы могут выполняться с наличием
обратной связи, когда блок приёмника дополняется передатчиком, который при
вскрытии автомобиля в дополнение к работе внешней сигнализации посылает
сигнал тревоги в приёмник, размещаемый в находящемся у водителя пульте
управления. Дальность действия такого устройства обычно составляет 300 …
500 м.
Иммобилизатор с микротранспондером в ключе зажигания. Данная
подсистема позволяет осуществлять пуск двигателя без введения в замок ключа
зажигания, при нахождении в непосредственной близости от замка управляющего элемента – транспондера, выполняющего роль электронного ключа. Как
правило, транспондер размещается в виде подсистемы в пульте управления
противоугонной системой. Транспондер содержит выполненный в виде микросхемы программный идентификатор, принимающую электромагнитную катушку и конденсатор, образующие ёмкостно-индуктивный колебательный контур.
В замке зажигания располагается приёмник, содержащий блок памяти и исполнительное устройство, осуществляющее пуск двигателя. При нахождении
транспондера в непосредственной близости от приёмника, порядка одного метра, возникает электромагнитная связь между приёмником и колебательным
контуром транспондера. При этом на вход приёмника передаётся кодовое слово. Если это слово соответствует коду, находящемуся в памяти приёмника,
электронный блок управления двигателем получает разрешение на пуск двигателя. Пуск двигателя возможен как посредством поворота ротора замка, так и
дистанционно, без открытия дверей автомобиля. После пуска двигателя от приёмника передаётся транспондеру новое кодовое слово, которое будет использоваться при следующем запуске двигателя. Если приёмник утрачивает связь с
транспондером, например, когда водителя выбрасывают из салона, через небольшой промежуток времени двигатель останавливается.
Несмотря на малый радиус действия такого сигнала, возможно его сканирование с последующей расшифровкой и воспроизведением. Для противодействия такому явлению принимаются те же меры, что и для связи пульта управления с приёмником электронного управления двигателем. В качестве основного направления рассматривается использование микропроцессоров с большим
числом разрядов, позволяющих удлинять кодовые комбинации и усложнять задачи по их расшифровке.
104
Электропитание размещаемых в автомобиле приборов противоугонной
системы осуществляется от бортовой сети. Однако в некоторых случаях для таких целей возможно их питание от автономных, размещаемых в потайных местах источников энергии.
Дополнительные датчики. В дополнение к рассмотренной базовой противоугонной системе в целях большей защищённости автомобиля могут применяться дополнительные возможности.
- Отключение подачи топлива возможно путём введения в топливную магистраль электромагнитного клапана прямого, либо чаще обратного действия,
когда перекрытие топлива происходит одновременно с включением зажигания.
При наличии топливоподающего насоса с электроприводом возможно включение в цепь электропитания этого насоса геркона, управляемого от постоянного
магнита. При наличии магнита цепь электропитания насоса оказывается замкнутой. При оставлении автомобиля водитель уносит с собой малогабаритный
магнит и цепь питания топливного насоса оказывается разомкнутой, что делает
невозможным несанкционированный запуск двигателя. Место расположения
геркона внутри какой-либо пластмассовой панели и место расположения постоянного магнита снаружи этой панели определяются по усмотрению водителя.
- Фиксаторы разбивания стекла, включающие охранную сигнализацию,
могут выполняться по следующим двум вариантам.
В первом варианте на стекле размещается петля из тонкого провода. При
разбивании стекла происходит разрыв провода, сопровождаемый срабатыванием охранной сигнализации. Этот вариант более целесообразен для использования на неподвижных стёклах.
Во втором варианте при наличии опускающихся стёкол в корпусе двери
возле нижнего конца стекла размещается геркон, а на соответствующей ему поверхности стекла – постоянный магнит. При разбивании или попытке опустить
стекло магнит отходит от геркона и включается охранная сигнализация.
- Датчик наклона автомобиля включает охранную сигнализацию при попытке поднять автомобиль для снятия колеса, при буксировке, либо при других
попытках его несанкционированного перемещения.
- Датчик нахождения автомобиля на местности выдаёт информацию посредством системы ГЛОНАСС или GPS в случае его несанкционированного
движения. Для большей надёжности такого датчика его питание осуществляется от автономного источника. Для затруднения обнаружения такого датчика на
автомобиле, его сигнал выдаётся не непрерывно, а только по соответствующему запросу по навигационной системе. До получения такого запроса датчик работает только в режиме приёмника.
105
Контрольные вопросы
1. Какие световые приборы, влияющие на безопасность движения, устанавливаются на современные автомобили?
2. Как протекает рабочий процесс автомобильного светового прибора?
3. Как определяется коэффициент отражения света автомобильного светового прибора?
4. Какие светосигнальные приборы являются обязательными к установке
на автомобили?
5. Какие светосигнальные приборы являются необязательными к установке на автомобили?
6. Что представляет собой конструкция гомофокальной фары?
7. Каким образом достигается резкая граница между освещённой и неосвещённой частями дороги в фарах ближнего света?
8. Как определяется коэффициент ослепления водителя?
9. Каково назначение и как протекает рабочий процесс фар-прожекторов
и фар-искателей?
10. Каково назначение и как протекает рабочий процесс противотуманной
фары?
11. Каково назначение и цветовые характеристики автомобильных габаритных огней?
12. Каково назначение и порядок работы автомобильных стояночных огней?
13. Каково назначение, условия включения и порядок работы автомобильных противотуманных фонарей?
14. Каково назначение и как протекает рабочий процесс указателей поворота?
15. Как протекает рабочий процесс галогенной лампы?
16. Как протекает рабочий процесс шумового звукового сигнала с дисковым резонатором?
17. Как протекает рабочий процесс тонального звукового сигнала с рупорным резонатором?
18. Какие приборы относятся к электроприводу вспомогательного оборудования и каково их влияние на безопасность движения?
19. Каким образом осуществляется снижение уровня радиопомех при работе электропривода вспомогательного оборудования?
20. Как осуществляется защита автомобиля по периметру?
21. Как осуществляется защита автомобиля по объёму?
22. Как осуществляется иммобилизация двигателя автомобиля?
106
Заключение
Совершенствование условий жизни современного человека вызывает соответствующие изменения нормативных требований по обеспечению безопасности по многим направлениям деятельности, в том числе безопасности движения транспорта.
Ужесточение требований по обеспечению безопасности движения вызывает необходимость дальнейшего совершенствования конструкций и систем автомобилей. В значительной части это касается узлов, агрегатов и систем, нарушение работоспособности которых может привести к аварийным ситуациям,
зачастую, с тяжёлыми последствиями. В некоторых случаях, например, в работе тормозной системы для повышения надёжности вводятся дублирующие контуры, вступающие в действие при отказе основных рабочих контуров. Такое
решение повышает безотказность системы, однако следствием его является
рост её стоимости. При этом в некоторых системах автомобиля невозможно
обеспечить введение дублирующих или запасных подсистем, например, технически невозможно обеспечить дублирование узлов рулевой системы, колёсных
тормозных механизмов, несущей системы.
Указанные обстоятельства вынуждают изготовителей вводить в конструкцию деталей и узлов повышенный запас прочности, что не всегда может
быть оправданным по наличию излишней материалоёмкости, и повышенной
стоимости.
В современных условиях стремления конструкторов автомобилестроения
направлены на создание высоконадёжных узлов и агрегатов с заданными характеристиками без излишней материалоёмкости с минимально возможной
стоимостью. От специалистов в эксплуатации в этой связи требуется проведение постоянного мониторинга за изменением технического состояния автомобильных систем, узлов и агрегатов для своевременного обнаружения наступления их предельного состояния, а также решения задач по оценке работоспособности составных элементов таких систем в заданных эксплуатационных условиях.
107
Библиографический список
1. Акимов, С. В. Электрооборудование автомобилей [Текст] : учеб. /
С. В. Акимов, Ю. П. Чижков. – М. : За рулем, 2003. – 384 с.
2. Алиев, И. И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию
[Текст] : / И. И. Алиев. – М. : Высш. шк., 2000. – 255 с.
3. Бухарин, Н. А. Автомобили. Конструкция, нагрузочные режимы,
рабочие процессы, прочность агрегатов автомобиля [Текст] : учеб. пособие /
Н. А. Бухарин, В. С. Прозоров, М. М. Щукин. – Л. : Машиностроение, 1973. –
504 с.
4. Волков, В. С. Проектирование шасси автомобиля [Текст] : учеб.
пособие / В. С. Волков, В. И. Прядкин, Ф. Ф. Фатхулин. – Воронеж, 2001. –
136 с.
5. Волков, В. С. Светотехническое и приборное оборудование
транспортных машин [Текст] : учеб. пособие / В. С. Волков. – Воронеж, 2004. –
88 с.
6. Волков, В. С. Электроника и электрооборудование транспортных и
транспортно-технологических машин и оборудования [Текст] : учеб. /
В. С. Волков. – М. : Академия, 2013. – 384 с.
7. Горнов, В. О. Новые габаритные световые сигналы автомобилей
[Текст] / В. О. Горнов // Автостроение за рубежом. – 2001. – № 5. – С. 18.
8. Гребенников, А. С. Эффективное использование автомобильных шин
[Текст] : учеб. пособие / А. С. Гребенников, А. С. Денисов, В. Н. Басков. –
Саратов, 2009. – 96 с.
9. Грузовые автомобили: Проектирование и основы конструирования
[Текст] / М. С. Высоцкий, Л. Х. Гилелес, С. Г. Херсонский. – 2-е изд., перераб. и
доп. – М. : Машиностроение, 1995. – 256 с.
10. Автомобили. Теория эксплуатационных свойств [Текст] : учеб. /
А. М. Иванов, А. Н. Нарбут, А. С. Паршин, А. Н. Солнцев, В. В. Гаевский ; под
ред. А. М. Иванова. – М. : Академия, 2013. – 176 с.
11. Конструирование и расчет автомобиля [Текст] : учеб. / П. П. Лукин,
Г. А. Гаспарянц, В. Ф. Родионов. – М. : Машиностроение, 1984. – 376 с.
12. Кравченко, В. А. Автомобили: анализ конструкции и основы расчёта
[Текст] : учеб. пособие / В. А. Кравченко, В. А. Оберемок, С. А. Сенькевич. –
Зерноград, 2012. – 331 с.
13. Кухаренко, С. П. Расчет на прочность пространственных рам
транспортных автомобилей [Текст] : учебно-методическое пособие /
С. П. Кухаренко, В. И. Харчевников, О. Р. Дорняк. – Воронеж, 2000. – 86 с.
14. Мельников, А. А. Управление техническими объектами автомобилей
и тракторов [Текст] / А. А. Мельников. – М. : Академия, 2003. – 376 с.
15. Осипов, А. Г. Основы расчёта деталей и узлов транспортных машин
[Текст] : учеб. пособие / А. Г. Осипов, Ю. Н. Горюнов. – Иркутск, 2009. – 144 с.
108
16. Павлов, В. В. Теория движения многоцелевых гусеничных и колёсных
машин [Текст] : учеб. / В. В. Павлов, В. В. Кувшинов. – Чебоксары :
Чебоксарская типография № 1, 2011. – 424 с.
17. Раймпель, Й. Шасси автомобиля. Рулевое управление [Текст] /
Й. Раймпель ; пер. с нем. – М. : Машиностроение, 1987. – 232 с.
18. Рябчинский, А. И. Устойчивость и управляемость автомобиля и
безопасность дорожного движения [Текст] : учеб. пособие / А. И. Рябчинский,
В. З. Русаков, В. В. Карпов ; под ред. А. И. Рябчинского. – Шахты: ЮРГУЭС,
2003. – 177 с.
19. Рябчинский, А. И. Регламентация активной и пассивной безопасности
автотранспортных средств [Текст] : учеб. пособие / А. И. Рябчинский,
Б. В. Кисуленко, Т. Э. Морозова ; под ред. А. И. Рябчинского. – М. : Академия,
2006. – 432 с.
20. Удлер, Э. И. Конструкция автомобилей [Текст] : учеб. пособие /
Э. И. Удлер, О. Ю. Обоянцев. – Томск, 2010. – 376 с.
21. Федотов, А. И. Основы расчёта и потребительские свойства
автомобилей [Текст] : учеб. пособие / А. И. Федотов, А. М. Зарщиков. –
Иркутск, 2007. – 334 с.
22. Ютт, В. Е. Электрооборудование автомобилей [Текст] : учеб. /
В. Е. Ютт. – М. : Горячая линия – Телеком, 2006. – 440 с.
23. Эксплуатация антиблокировочных систем грузовых автомобилей
[Текст] : учеб. пособие / В. Е. Ютт, А. М. Резник, В. В. Морозов, А. И. Попов. –
М. : Горячая линия – Телеком, 2010. – 88 с.
109
Оглавление
Введение…………………………………………………………………….. 3
1. Работа автомобильной шины…………………………………………… 4
2. Рулевые управления…………………………………………………….. 12
2.1. Рулевые механизмы…………………………………………………… 14
2.1.1. Расчёт червячного рулевого механизма…………………………… 15
2.1.2. Расчёт рабочей пары «винт-шариковая гайка»…………………… 17
2.1.3. Расчёт рабочей пары «рейка-зубчатый сектор»…………………... 19
2.2. Рулевой привод………………………………………………………... 21
2.2.1. Расчёт рулевой сошки………………………………………………. 21
2.2.2. Расчёт шарового пальца…………………………………………….. 23
2.2.3. Расчёт рулевых тяг………………………………………………….. 24
2.2.4. Кинематические соотношения элементов рулевого привода……. 25
3. Тормозное управление………………………………………………….. 28
3.1. Тормозные системы…………………………………………………… 28
3.2. Тормозные механизмы………………………………………………... 30
3.3. Тормозные приводы……………………………………………...…… 36
3.3.1. Гидравлический привод…………………………………………….. 37
3.3.2. Пневматический привод……………………………………………. 39
3.4. Оценочные характеристики тормозных систем…………………….. 42
3.5. Регулирование и коррекция тормозных сил………………………… 44
4. Несущие системы……………………………………………………….. 49
4.1 Автомобильные рамы…………………………………………………. 50
4.2. Автомобильные кузова……………………………………………….. 54
5. Вибрация и шум………………………………………………………… 58
6. Светотехническое и вспомогательное оборудование………………… 63
6.1. Светотехническое оборудование…………………………………….. 63
6.1.1. Рабочий процесс светового прибора………………………………. 64
6.1.2. Световые приборы головного освещения…………………………. 67
6.1.3. Светосигнальные приборы…………………………………………. 75
6.1.4. Источники света…………………………………………………….. 83
6.1.5. Система обозначения ламповых световых приборов…………….. 89
6.2. Вспомогательное оборудование……………………………………… 92
6.2.1. Приборы звуковой сигнализации………………………………….. 92
6.2.2. Электропривод вспомогательного оборудования………………… 95
6.3. Противоугонные системы……………………………………………..101
Заключение………………………………………………………………….106
Библиографический список………………………………………………...107
110
Учебное издание
Волков Владимир Сергеевич
ОСНОВЫ РАСЧЁТА СИСТЕМ АВТОМОБИЛЕЙ,
ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ БЕЗОПАСНОСТЬ ДВИЖЕНИЯ
Учебное пособие
111
Редактор А.С. Люлина
Подписано в печать 02.04.2014. Формат 60x90 /16. Объем 6,94 п. л.
Усл. печ. л. 6,94. Уч.-изд. л. 8,7. Тираж 300 экз. Заказ
ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»
РИО ФГБОУ ВПО «ВГЛТА». 394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8
Отпечатано в УОП ФГБОУ ВПО «ВГЛТА»
394087, г. Воронеж, ул. Докучаева, 10
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
36
Размер файла
999 Кб
Теги
автомобиля, система, расчёту, волков, основы
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа