litceysel.ru
добавить свой файл
  1 2 3 4
Взаимодействие автомобиля с дорогой


При движении автомобиля по дороге возникают нормальные к поверхности проезжей части и касательные продольные и поперечные силы взаимодействия между колесами автомобиля и покрытием. К этим силам относятся:

- сила, перпендикулярная покрытию и равная ей, но противоположная по знаку, нормальная реакция дорожной одежды на колесо R;

- окружная сила Рк, приложенная к площади контакта ведущих колес с покрытием, направленную в сторону, противоположную движению, - это сила воздействия ведущих колес на дорожную одежду в плоскости проезжей части.

Тангенциальная (касательная) реакция Тк, практически равная окружной силе Рк и направленная в сторону движения, возникает в результате взаимодействия ведущих колес и покрытия. Эту реактивную силу, вызывающую поступательное движение автомобиля , называют тяговой:

ƒ ± Рį ± РF ± Рj,

где Рƒ = G·f – сила сопротивления качению на относительно ровном участке;

где G – вес автомобиля, даН;

f – коэффициент сопротивления качению.

Р
i= G·iсила сопротивления движению на подъеме (спуске);

где i - продольный уклон дороги, %0.

Р
F = – сила сопротивления воздуха движению;

где k – коэффициент сопротивления воздуха (коэффициент обтекаемости), даН с24;

F – площадь лобовой проекции автомобиля, м2;

V – скорость автомобиля, км/ч.

Р
j= G·jсопротивление инерционных сил, даН;

где jотносительное ускорение.


Сопротивление качению автомобиля

Взаимодействие автомобиля с автомобильной дорогой характеризуется показателями: 1. Прогибом (деформации покрытия); 2. Сопротивлением качению; 3. Сцепление колеса с покрытием; 4. Размером приложения нагрузки; 5. Средним давлением по площади отпечатка колеса; 6. Частотой приложения нагрузки.

При остановки автомобиля колеса передают на покрытие нагрузку Q. В этом случая нормальная реакция R=Q и приложена в центре следа колеса. В этом случае взаимодействие автомобиля с автомобильной дорогой характеризуется: нагрузкой Q; площадью отпечатка колеса S, средним контактным давлением r

т.сил/м2

Площадь отпечатка колеса по контуру будет иметь вид эллипса и по выступу протектора. В расчетах принимают площадь отпечатка колеса с приведенным диаметром.



Произведение характеристик отпечатка колеса r и диаметром D определяет взаимодействие автомобиля с дорогой и зависит от грузоподъемности автомобиля и степени его загрузки.

Для современных автомобилей D отпечаток колеса изменяется в пределах 18 - 35 см и более, площадь 250 - 1000 см2, удельное давление 0,3 - 0,85 МПа.

Контактное давление r приближено расчитывают в зависимости от внутреннего давления воздуха в шинах:



кж - коэффициент учитывающий жесткость шины (1,1-1,3)

rв - внутренние давление воздуха в шинах.

Под действием вертикальной нагрузки шина деформируется. В этом случае размер сжатия шины пропорционален колесной нагрузке:


- коэффициент, учитывающий упругость шины.


Q - нагрузка от давления колеса на покрытие

Чем выше значение сжатия (U), тем больше площадь отпечатка и меньше удельное давление.

Когда движется автомобиль (ведущее колесо), на него кроме нагрузки Q и нормальной реакции R действующей крутящий момент МX, вызывающий в плоскости следа окружную силу (силу тяги).

В этом случае эта сила тяги:



МК - крутящий момент; rК - радиус качения колеса.

Сила РК вызывающая горизонтальную реакцию Рк = Т, благодаря чему происходит движение. Эта реактивная сила или сила трения.

На горизонтальном участке основная часть силы тяги расходуется на преодоление сопротивлению сил качения (F), которые оцениваются затратами энергии на деформирование (r) дорожной конструкции и сжатии силы (U).

Чем больше сила F, тем выше расход топлива и других материалов автомобилей.

Таким образом из задач дорожной службы и науки создать такие дорожные покрытия, при которых сила сопротивления качению была бы наименьшей.

Показателем сопротивления качению является коэффициентом сопротивления качения:



В виду того, что шина эластична, точка приложения нормальной реакции R будет смещаться по ходу движения автомобиля. Тогда f примет следующий вид:



l - смещение точки приложения нормальной реакции

rК - радиус качения колеса.

На практике чаще всего f определяется экспериментально:


РК - сила тяги; i - продольный уклон дороги.


Сила тяги зависит от колесной нагрузки давления воздуха в шинах, размеров колес и эластичности шин скорости движения, прочности дорожной одежды, ровности покрытия и служит одной из основных характеристик взаимодействия автомобилей с дорогой.

На ровных покрытиях сопротивление качению снижается с возрастанием давления воздуха в шине и прочности дорожной одежды.





При низких скоростях коэффициент сопротивления качению почти не меняется и для скорости до 20 км/ч в расчетах его принимается постоянной.

При дальнейшем увеличении скорости значения f повышается так как шина в зоне контакта с покрытием не успевает полностью восстанавливаться и колесу возвращаться меньшая доля энергии, затраченная на деформирующие шины.

При увеличении скорости деформации возрастает внутренние трение в шине. Значение коэффициента сопротивления качению для любой скорости определяем:




- коэффициент повышения сопротивления качению со для легковых ; грузовых .


Коэффициент трения (сцепления)


Реализация силы тяжести зависит от силы трения между протектором шины и поверхностью покрытия



- коэффициент трения протектора шины по покрытию


При торможении колеса автомобиля сила трения может быть определена через площадь контакта шины с покрытием



В практике вместо понятия силы трения и коэффициента трения используют силы сцепления и коэффициент сцепления



Т - сила тяжести; Q - колесная нагрузка

Зависимость коэффициента сцепления от скорости имеет то же понятие как и в коэффициенте сопротивления качению



- коэффициент сопротивления качению при

- коэффициент изменения сцепных качеств покрытия (принимают в зависимости от типа и состояния покрытия).

Во всех расчетных формулах коэффициент сцепления необходимо принимать по типу и состоянию покрытия, конструкции и рисунка конструкции шин, скорости движения, нагрузки на колесо, температуры наружного воздуха и других факторов. Исходя, из этого максимальная возможная скорость на горизонтальном участке и на подъеме по сцеплению колеса автомобиля с дорогой с учетом сопротивления качению определяется по формуле проф. А.П. Васильева:

,

где m – коэффициент сцепного веса (для легковых автомобилей 0.5 – 0,55, для грузовых – 0,65 – 0,75).

Состояние покрытий и условия движения автомобилей

Ровность дорожного покрытия

Автомобили при движении по автомобильной дороге взаимодействуют с неровностями образовавшиеся на покрытие. Они имеют различные размеры, формы и расположения по поверхности покрытия, носят случайный характер.


Неровности вызывают вертикальный, продольный и поперечные колебания автомобиля, которые воздействуют различным образом на психоэмоциональное состояние водителя.

По влиянию на колебания неровности:

1) макронеровности

2) микронеровности

3) шероховатость

Макронеровности - формируют поверхность покрытия и состоит из длинных плавных неровностей длиной волны не менее 100 м. на практике это фактическое состояние продольного профиля дороги.

Микронеровности - микрорельеф поверхности, который формируется из неровности длиной волны от 10 - 100 м. эти неровности вызывают значительные колебания автомобиля.

Шероховатость - совокупность неровностей с длиной волны от 3 - 10см. Она вызывает низкочастотные колебания автомобиля на подвесках, т.е. их воздействие поглощает шины.

Колебание автомобиля возникающие при движении по неровной поверхности:


  1. Неустановившиеся - наиболее распространены и возникают при наезде автомобиля на единичные или повторяющиеся неровности различного размера и очертания.





z - амплитуда ускорения колебания

ыи других смесей.го слоя покрытия из асфальтобетонной смесии оприятий:

шины не имеют рисунка и не менее 0,4 - для шин с протек

2) Установившиеся - образующиеся при наезде автомобиля на регулярно повторяющиеся неровности (волны, гребенка, стыки бетонных плит).





При разработки требований к ровности покрытия исходят из допустимых амплитуд колебания автомобиля при расчетной скорости в соответствии СНиП 2.02.02-85.

Выделяют 4 критерии, по которым оценивают допустимость колебания:

1. Удобность и комфортность передвижения водителей и пассажиров


2. Устойчивость грузов в кузове автомобиля

3. Надежность и долговечность работы рессор, шин и других частей автомобиля.

4. Прочность дорожной конструкции.

Решающим является критерий обеспечения удобство и комфортность.

На неровной поверхности ощущение колебаний начинается с момента:

1. Когда амплитуда ускорения колебаний

2. Обеспечение колебания начинающей беспокоить водителя и пассажира при достижении . Это происходит с возрастанием скорости и наличием и очертанием неровностей.

3. При длительном действии колебания становятся для водителя неприятным и непереносимым

Нормативные требования к ровности по ГОСТ Р 50597-93


Группа дорог

Показатель ровности по ПКРС-2У, см/км

3 метровая рейка с клином, %

А

660

5

Б

860

6

В

1200

7


Состояние дорожных покрытий

Под воздействием внешних осадков, относительной влажности воздуха, высоких и низких температур и других факторов и в зависимости от интенсивности движения, уровня содержания и типа покрытия, покрытие может находиться в различном состоянии:


1. Сухое - покрытие, микроповерхность которого не имеют сплошной пленки воды. Такое явления наблюдается при относительно влажности воздуха <90%.

2. Влажное - покрытие, микроповерхность которого покрыто пленкой (сплошной) связной воды. Относительная влажность - 90 - 100% и “+” температура воздуха. При “-” температуре в этих условиях образуется “черный лед”.

3. Мокрое - покрытие, на поверхности материала которого имеется слой свободной воды более 20 мм и появляется возможность образования аквапланирования при движении автомобиля. Относительная влажность > 100%, температура положительная.

4. Заснеженное - покрытие, с наличием рыхлого снега на нем; снежного наката и стекловидного льда.


Взаимодействие автомобиля с влажным и мокрым покрытием, роль макрошероховатости


Если на сухом покрытии основную часть силы сцепления (до 90%) составляет адгезия (молекулярное взаимодействие), то на влажном или мокром она резко снижается, поскольку на поверхности образуется плена воды, перемешенная с остатками масел, бензина, грязи.

Чтобы обеспечить достаточное сцепление колес автомобиля с покрытием, поверхность должна иметь шероховатую структуру, позволяющую разорвать эту пленку, и обеспечить непосредственно контакт протектора с покрытием.

Выступы шероховатости вдавливаясь в рисунок протектора увеличивают деформационную составляющую силы трения. Шероховатость образует систему дренирующих ходов, по которым вода отжимается из зоны контакта колеса с покрытием.

Исследования профессора М.В. Немчинова показывают, что на сухих покрытиях с увеличением шероховатости уменьшается коэффициент сцепления при всех скоростях.

На мокрых покрытиях при небольшой скорости с увеличением макрошероховатости коэффициента сцепления снижается, а с возрастанием скорости, сначала стабилизируется, а затем даже повышается при средней высоте выступов 4,5 - 5,5 мм. На мокрых шероховатых покрытиях, с увеличением скорости, коэффициент сцепления снижается значительно меньше, чем на гладких. Эти зависимости действительны для небольшой толщины слоя воды до 10 мм и скорости не более 80 - 100 км/ч.


Если скорость высокая и толщина слоя воды > 10 мм, процесс взаимодействия колеса автомобилей с покрытием принципиально изменяется, т.е. в этот момент возникает явление аквапланирования. В этом случае в плоскости контакта колес с мокрым покрытием выделяют 3 зоны:

1. Зона неразорванной пленки, в которой образуется гидродинамическое давление воды на колеса

2. Зона частично разорванной пленки, в которой наблюдаются отдельные соприкосновения протектора шин с покрытием.

3. Зона непосредственного контакта шины с покрытием, когда свободная вода полностью удалена и осуществляется сухой контакт колеса с покрытием.

Физическая сущность аквапланирования состоит в том, что при наличии на покрытии сплошного слоя жидкости глубиной не менее критической под колесами автомобилей в зоне расположения головной волны, создается жидкостной клин, оказывающий гидродинамическое давление на колеса.

С увеличением скорости это давление повышается и при определенной скорости, называемой критической скоростью аквапланирования, вертикальная составляющая давления сравнивается по размерам с нагрузкой колеса. С этого момента колеса всплывают и начинают скользить по жидкости, образованной на поверхности покрытия.

На возникновение явление аквапланирования влияет глубина слоя и плотность жидкости, давление в шинах, рисунок и степень износа протекторов, структура поверхности покрытия. Выступы шероховатости уменьшают активную толщину слоя воды , которая действует на колеса автомобиля, и тем самым снижают гидродинамическую подъемную силу. Активная толщина слоя воды вычисляется по формуле

,

где - толщина слоя воды на поверхности, мм;


- глубина вдавливания выступов шероховатости в шину, мм;

Δ – средняя высота выступов поверхности, мм.

Критическая глубина слоя жидкости на поверхности и скорость аквапланирования рассчитывают по формулам:

;


,

где - давление воздуха в шинах, Мпа;

ρ – массовая плотность жидкости (для воды 1,02∙ 10-6 кг∙с2/см4; для грязи 0,8∙10-6 кг∙с2/см4);

v – скорость автомобиля, км/ч;

- глубина слоя жидкости, мм.

На гладких покрытиях аквапланирование возникает, когда слой воды или жидкости имеет толщину слоя всего 2-3 мм, на других покрытиях, если слой воды больше 10 мм, то явления избежать невозможно. Скорость начала аквапланирование колеблется в пределах от 60 до 100 км/ч.

На условия движения автомобилей влияет равномерность распределения коэффициента сцепления по ширине покрытия. В идеальных условиях необходимо, чтобы под левым и правым колесами автомобилей значение коэффициентов сцепления было одинаково иначе при резком торможении происходит разворот автомобилей. В этом случае блокируется то колесо, которое катилось по более скользкой полосе, угол поворота увеличился с ростом скорости перед торможением и разностью значений коэффициент сцепления под правым и левым колесами. В связи с этим важно иметь однородную по шероховатости поверхность проезжей части.

Наличие воды на покрытие приводит к увеличению коэффициента сопротивления качению до 5% на каждый минимальный выступа шероховатости и тогда коэффициент сопротивлению




f0 - коэффициент сопротивления качению сухого покрытия;

- толщина слоя воды и грязи на покрытии, мм.

Взаимодействие автомобилей с заснеженным и оледенившим покрытием, роль шероховатости


От состояния покрытия в зимний период зависит изменение значения коэффициента сопротивления качению f и коэффициента сцепления j.

Наличие сухого снега на покрытие приводит к тому, что коэффициент сопротивления качению увеличивается в 10-15 раз в зависимости от толщины снежных отложения по сравнению с движением по чистому покрытию. Движение автомобилей по снежному накату сопровождается образованием колей и увеличением сопротивления качению.

Наоборот сухие чистые покрытия в зимний период обеспечивает достаточно высокие сцепные качества. При наличии рыхлого снега на покрытии коэффициент сцепления мало зависит от параметров шероховатости поверхности, но существенно зависит от толщины слоя снега, его влажности, температуры и плотности.

Сцепные качества уплотненного снега на покрытие также зависят от прочности снега, которая непосредственно зависит от его плотности и температуры.

Вследствие большого сопротивления качению и низких сцепных качеств покрытия, скорость значительно снижается на заснеженном и обледенелом покрытие вплоть до остановки автомобилей.

На заснеженных покрытиях и гололеде шероховатость покрытия на сцепные качества почти не влияет, так как на шероховатых покрытиях снег, уплотненный между выступами каменных материалов содержит значительное количество воздуха и при температуре до +00С имеет пористую структуру. Пористая структура снега облегчает удаление ледяного слоя, однако для удаления льда и снега, оставшегося во впадинах между каменными частицами, требуется больше хлоридов, чем для удаления льда и снега с гладкой поверхности. Теоретически вопрос об эффективности работы шероховатых поверхностей зимой не имеет однозначного ответа и требует дальнейших исследований.


При определенных соотношениях температуры и плотности снега, интенсивности, состава и скорости транспортного потока на шероховатых покрытиях наблюдается процесс разрушения снежного слоя и происходит самоочистка покрытия колесами автомобилей. Влияния параметров шероховатости на степень очистки покрытия от снега повышается при высоте выступов до 1,5 мм. Более высокие выступы шероховатости на очистку покрытия практически влияния не оказывают. Поэтому с позиции работы покрытий зимой наиболее целесообразными следует считать выступы макрошероховатости 1,5-2,0 мм.

Требования к показателям поверхности покрытия

Анализ взаимодействия автомобилей с дорогой служит основной для разработки требований к прочности дорожной одежды, ровности покрытия, коэффициента сцепления, параметром шероховатости и состоянию поверхности покрытия, которые отражены в следующих нормативных документах: ГОСТ Р 50597-93; Методические рекомендации по ремонту и содержанию дорог и Инструкции по расчету жестких и нежестких дорожных одежд.

Сложной технико-экономической задачей является назначение требований к допустимому значению коэффициента сцепления и параметрам шероховатости. Обеспечения сцепных качеств и регулирования выступов шероховатости достигается путем назначения крупности щебня с требованиями к его прочности и прочности слоя, по которому он распределяется, сопротивлению истираемости и шлифуемости в процессе эксплуатации. Кроме того, на крупношероховатой поверхности увеличивается уровень шума от автомобилей и сопротивление качению.

При назначении требований к сцепным качествам покрытия и их шероховатости большое значение имеют погодно-климатические условия района.

Высокая шероховатость нужна только для обеспечения сцепных качеств на мокром покрытии. Мокрое состояние покрытие колеблется от 10% годовой продолжительности в районах с жарким, сухим климатом и до 35% для районов с влажным умеренным климатов. Это значит, что в течение 65-90 % годового времени крупношероховатая поверхность бесполезна, поэтому требования к шероховатости покрытий дифференцируют с учетом региональных климатических условии, т.е. коэффициент сцепления должен быть не менее 0,3 при его измерении шиной без рисунка протектора и 0,4 - шиной, имеющей рисунок протектор (ГОСТ Р 505.97-93).


Разница коэффициента сцепления по ширине проезжей части не должна превышать 0,1, а между коэффициентом сцепления покрытия и укрепленной обочины – не превышать 0,15. Эти требования необходимы для предотвращения разворота автомобилей при резком торможении.

Повышение сцепных качеств покрытий возможно с проведением следующих мероприятий:

1. Содержание покрытия в чистом и сухом состоянии

2. Устройство шероховатой поверхности обработки

3. Применение метода втапливания при устройстве покрытия

4. Устройство нового слоя покрытия из асфальтобетонной смеси и других смесей.

Влияние природных факторов на состояние дорог и условия движения

Транспортные средства воздействуют на дорогу одновременно с факторами, зависящими от природно-климатических условий (водой, температурой, ветром, солнечной радиацией).

Из всего разнообразия природно-климатических факторов наибольшее влияние на состояния дорог и на условия движения автомобилей оказывают:

- рельеф и ландшафт местности; грунтово-геологические и гидрологические условия; погодно-климатические факторы.

Из грунтово-геологических и гидрологических факторов выделяют тип и характеристики грунтов земляного полотна и подстилающих слоев основания, глубину промерзания, глубину и характер залегания грунтовых вод, условия стока поверхностных вод.

К погодно-климатическим факторам относят: солнечную радиацию; температуру и влажность воздуха, осадки (дождь, снегопад, ветер, метель, гололед, туман); атмосферное давление, а также их сочетание. Воздействие погодно-климатических факторов формируют вводно-тепловой режим земляного полотна, под которым понимают закономерные сезонные изменения в земляном полотне и слоях дорожных одежд влажности и температуры.

В дорожной конструкции протекают сложные процессы: - нагревание, охлаждение, промерзание, оттаивание, испарение, конденсация, сублимация и облимация. В дорожной конструкции систематически происходят диффузионные процессы тепла и влаги, называемые тепломассопереносом или тепловлагообменом, обуславливающие колебания влажности и температуры.


Изменение характеристик вводно-теплового режима существенно влияет на долговечность земляного полотна, прочность дорожной одежды и приводит к снижению транспортно-эксплуатационных свойств дорог.

Степень воздействия окружающей среды на дорогу в конечном итоге определяется видом и мощностью источников увлажнения дорожной конструкции и интенсивность температурных воздействий .

Дорожная одежда и земляное полотно должны быть запроектированы таким образом, чтобы даже весной, т.е. в самый неблагоприятный для службы дорог период расчетного года, обеспечивалась требуемая по условиям движения прочность дорожной конструкции (Кпр ≥ 1,0) и наряду с этим обладала необходимой морозоустойчивостью (наибольшее зимнее поднятие – пучение поверхности покрытия – примерно равно 40 мм )


Основными источниками увлажнения дорожной конструкции являются:

- атмосферные осадки;

- вода, стекающая со стороны откосов;

- вода, застаивающаяся на обочинах;

- грунтовые воды (капиллярное увлажнение);

- парообразная вода (конденсат).

Атмосферные осадки проникают в водопроницаемые покрытия (гравийные и щебеночные) не укрепленные органическими вяжущими, в трещины водонепроницаемых покрытий и частично через обочины и откосы. После выпадения обильных осадков вода, а также со стороны откосов при длительном застое в боковых канавах будет перемещаться от откосов к грунтовому основанию. Это явление не всегда опасно, если земляное полотно отсыпано из связных грунтов (суглинки, супеси), а коэффициент уплотнения земляного полотна > 0,95.

Опасность капиллярного увлажнения от грунтовых вод зависит от глубины расположения расчетного горизонта грунтовых вод, поднимающейся по капиллярам, особенно при промерзании конструкции и близкой к поверхности дороги залегания подземных вод.

Парообразная вода, перемещающаяся от теплых слоев к более холодным. Зимой при промерзании конструкции вода может передвигаться снизу вверх и концентрироваться у фронта промерзания, повышая влажность грунта.

Физическая теория тепловлагообмена в дорожных конструкциях

Воздействие факторов внешней среды на дорогу вызывает теплповлагообмен в земляном полотне и слоях дорожной одежды. Этот процесс является сложным, взаимосвязанным. Изменение температуры вызывает миграцию (медленное движение) влаги. Влагонакопление и переход в иную форму влаги способствует теплообмену. Поэтому процесс тепло- и влагообмена необходимо рассматривать во взаимосвязи.

Установлено, что грунты и слои дорожных одежд воздухопроницаемы, поры в них между собой сообщаются. Следовательно, в земляном полотне и слоях дорожных одежд имеются условия для массообмена: воздухообмена и парообмена. Обмен возможен в случае, если влажность грунта меньше его полной влагоемкости, т.е. W > Wпв . При полной влагоемкости все поры грунта заполнены жидкой фазой и воздухо- парообмен прекращается.

В водоненасыщенных грунтах влага содержится в двухфазном состоянии: Wп – водяной пар всегда в насыщенном состоянии (δ = 100%, где δ - относительная влажность внутрипорового воздуха) и Wх – жидкая фаза. Соотношение фаз постоянно меняется и зависит от общей влажности грунта. В мерзлых грунтах дополнительно возникает твердая фаза – лед, количество которой пропорционально величине температуре воздуха за холодной период. При температуре грунта ниже 0оС не вся жидкая фаза переходит в лед вследствие частичного засоления и действия молекулярных сил, исходящих от грунтовых частиц.

В результате пористости покрытий дорожных одежд между атмосферой и внутрипоровым воздухом в земляном полотне круглый год происходит воздухо- и парообмен. Парообразование и увлажнение зависит от условий водно-теплового режима земляного полотна. Этот источник постоянно присутствует в земляном полотне и в слоях дорожной одежды.


В результате ухудшения водно-теплового режима возникают негативные явления:

- избыточное влагонакопление в отдельных зонах земляного полотна вследствии инфильтрации воды через трещины в покрытии, обочинах и откосов;

застой воды или от длительного застоя воды в боковых канавах, коллекторах, что часто наблюдается в болотистой местности и орошаемых районных;

- повышенное увлажнение грунта в верхней части земляного полотна к концу морозного периода;

- образование пучин на участках интенсивного морозного влагонакопления;

- влияние (в период зимних оттепелей) разрушение дорожной одежды вследствии переувлажнения грунта и потери прочности;

- разрушение откосов высоких насыпей и глубоких выемок от переувлажнения;

- разрушения тела насыпи от скопившейся воды (высоких насыпей).

При резком понижении температуры (00С) в конструкции дорожной одежды образуется температурные трещины.

Интенсивный прогрев летом повышает эластичность покрытий из органических вяжущих, способствующий образованию волн и наплывов в покрытие.



<< предыдущая страница   следующая страница >>