Mechanika ruchu podczas hamowania
Podczas hamowania wypadkowa sił
działających na pojazd ma zwrot prze-
ciwny kierunkowi jazdy, a pojazd po-
rusza się kosztem energii kinetycznej
nagromadzonej w czasie poprzedzają-
cym hamowanie. Hamowanie ma miej- sce np. wówczas, gdy wskutek rozłą-
Siły działające na układu napędowego (np. przez
samochód podczas hamowania rozłączenie sprzęgła lub ustawienie
dźwigni zmiany biegów w położemu luzu) na kola przestaje działać siła napędowa. Energia kinetyczna pojazdu tracona jest wtedy na pokonanie sił oporów ruchu działających przeciwnie do kierunku jazdy i prędkość samochodu maleje. Takie hamowanie — z wykorzystaniem tylko sił oporów ruchu — jest mało skuteczne. Dlatego w celu zahamowania samochodu wykorzystuje się zwykle działanie specjalnych urządzeń — hamulców — przetwarzających energię kinetyczną na pracę tarcia, a następnie na energię cieplną ulegającą rozproszeniu. Działaniu hamulców towarzyszy powstanie momentu hamującego na kołach, a zatem i siły o zwrocie przeciwnym kierunkowi ruchu.
Szczególnym sposobem hamowania jest hamowanie silnikiem. Do zahamowania pojazdu wykorzystuje się w tym przypadku opory stawiane przez nie zasilany paliwem silnik, którego wał obraca się wraz z układem napędowym, napędzany przez koła rozpędzonego pojazdu. Jeżeli kierowca zdejmuje nogę z pedału przyspiesznika nie rozłączając układu napędowego, wówczas ruch obrotowy wału korbowego silnika jest wymuszony przez ruch pojazdu i energia kinetyczna samochodu zostaje zużytkowana na napęd silnika działającego podobnie jak pompa ssąco-tłocząca. Opory ssania (dolotu) i sprężania powietrza w silniku powodują powstanie momentu hamującego, a więc dodatkowej (oprócz oporów ruchu) siły hamującej o zwrocie przeciwnym kierunkowi jazdy. Siła ta występuje tylko na kołach mostu napędowego.
Spośród trzech omówionych sposobów hamowania (przez rozłączenie układu napędowego, za pomocą hamulców i silnikiem) najskuteczniejsze jest hamowanie za pomocą hamulców, cechujące się tym, że siła hamująca działa na wszystkie koła pojazdu, a jej wartość może być regulowana przez kierowcę.
Siła hamowania FH, podobnie jak siła napędowa, jest styczna do obwodu koła, a jej wartość
Zależność 8.1 może odnosić się do jednego koła, jeżeli MH jest momentem hamowania jednego koła, do osi lub do całego samochodu, jeżeli za MH podstawimy odpowiednią wartość momentu. Bardzo często osobno rozważa się siłę hamowania osi przedniej FHP i tylnej FHT, przy czym sumaryczna siła hamowania
•d u rd Siła hamowania FH wywołuje powstanie reakcji stycznej X = = XP + XT (rys. 8.1) o zwrocie przeciwnym kierunkowi jazdy (przeciwdziałającej ruchowi). Podobnie jak w przypadku sity napędowej wartość reakcji stycznej X ograniczona jest przyczepnością kół do jezdni. Jeżeli wartość siły hamowania FH przekroczy wartość siły przyczepności T (wzór 6.33), to następuje utrata przyczepności kół — zjawisko ślizgania się zablokowanych kół po nawierzchni — natomiast reakcja styczna X nie przekroczy wartości T. Ponieważ utrata przyczepności kół podczas hamowania jest niebezpieczna ze względu na możliwość tzw. zarzucenia pojazdu (niekontrolowanej zmiany kierunku jazdy), a wzrost siły hamowania FH powyżej wartości siły przyczepności T nie zwiększa skuteczności hamowania, zależnej tylko
od wartości reakcji stycznej X, można napisać warunek określający maksymalną wartość siły hamowania FH
FH < T, czyli FH < [x • G (8.3)
Rozpatrując osobno osie przednią i tylną z warunku 8.3 otrzymujemy dwa warunki
FHP < fx • GP oraz FHT < l- GT (8.4)
gdzie:
Gp i G-p — naciski na osie przednią i tylną samochodu. Wielkości te zostaną określone w rozdziale 8.2, z uwzględnieniem działania opóźnienia hamowania.
Korzystając z zależności 8.1 można określić wartości maksymalnych momentów hamowania działających na osie przednią i tylną
Podczas hamowania samochód porusza się ruchem opóźnionym, a charakteryzujące ten ruch ujemne przyspieszenie działające na pojazd nazywamy opóźnieniem hamowania.
Wraz z wystąpieniem opóźnienia hamowania pojawia się siła bezwładności Fbi przeciwdziałająca hamowaniu pojazdu, zgodna z kierunkiem jazdy. Jej wartość równa jest iloczynowi masy pojazdu m i opóźnienia hamowania aH
Q
Fb=m- aH = — au
g
W podanej zależności nie uwzględniono wpływu bezwładności mas wirujących, przyjmując współczynnik 8 = 1. Uproszczenie takie jest dopuszczalne pod warunkiem, że układ napędowy podczas hamowania jest rozłączony, wówczas wpływająca w decydujący sposób na wartość 8 masa koła zamachowego silnika nie wpływa na przebieg hamowania. Jeżeli natomiast układ napędowy nie jest rozłączony, wówczas bezwładność mas wirujących silnika przeciwstawia się hamowaniu, ale jednocześnie pojawia się dodatkowy moment hamujący, pochodzący od hamowania silnikiem.
Ponieważ siła bezwładności Fb jest zgodna z kierunkiem ruchu, a pozostałe siły (rys. 8.1) działają przeciwnie, więc równanie bilansu sił działających na samochód podczas hamowania ma postać
Fb=X + Fl + Fp + Fa
Na płaskiej drodze siła oporów wzniesienia Fa — 0. Ponieważ najczęściej podczas hamowania hamulcami siły oporów toczenia i powietrza są znacznie mniejsze od siły bezwładności i reakcji X (równej sile hamowania FH), można je pominąć i wówczas równanie bilansu sił uprości się do postaci
Fb = X
ponieważ jednak X = F//s więc podstawiając wzór 8.6 otrzymamy
FH = — aH
Porównując wzory 8.3 i 8.7 można otrzymać warunek ograniczający maksymalną wartość opóźnienia hamowania
FH = — aH < (x • G g
więc aH < [i-g
Ponieważ wartość [i (tabl. 6.2) nawet dla najlepszych nawierzchni nie przekracza 1, więc
aH czy1* aw < 9,81 m/s2
Graniczną wartość opóźnienia hamowania aH ^ = i ■ g można uzyskać tylko wówczas, gdy w pełni zostanie wykorzystana przyczepność wszystkich kół pojazdu. W praktyce jednak nie należy nigdy dopuszczać do utraty przyczepności kół żadnej osi, a ponieważ graniczne wartości sił przyczepności poszczególnych osi są różne (ze względu na zróżnicowanie nacisków — patrz następny rozdział), o maksymalnej wartości opóźnienia hamowania samochodu decyduje przyczepność osi mniej obciążonej. Dlatego maksymalne opóźnienie hamowania samochodu jest zawsze mniejsze od obliczonej wartości granicznej.
Drogą hamowania wyznacza się przyrównując energię kinetyczną EK samochodu w chwili poprzedzającej hamowanie i pracę LI{ siły hamowania FH na drodze hamowania sH
ek = LH
Energia kinetyczna
2 2g
EK =
gdzie:
v0 — prędkość samochodu w chwili poprzedzającej hamowanie.
t n G -
lh = FH ' sH = — aH ■ sH
Praca siły hamowania
g
G-vl G
a W1CC = — aH-sH
stąd droga hamowania
SfI ~ 2a
H
Czas hamowania tH — —, a potrzebna do jego obliczenia śred-
nia prędkość hamowania
gdzie:
V/, — prędkość końcowa hamowania.
Jeżeh hamujemy aż do całkowitego zatrzymania pojazdu, wówczas vk = 0, a wzór na czas hamowania przyjmie postać
[h = 1«.= 2«L = 3l
vtr Vo_ aH
2
Rozpatrując przedstawiony na rys. 8.1 układ sił działających na samochód podczas hamowania łatwo stwierdzić, że reakcje normalne ZP i ZT zależą