Элементы теории движения и вождение пожарных автомобилей в различных дорожных, климатических и метеорологических условиях

Всесилы, действующие на автомобиль, в том числе и на пожарный, передаются через его колёса на дорожное покрытие. Водителю удаётся управлять автомобилем и реализовывать его эксплуатационные свойства в результате взаимодействия колёс автомобиля с покрытием дороги.

От автомобиля на дорогу передаются вертикальные, продольные и поперечные силы. Со стороны дороги на автомобиль действуют ответные равные, но противоположно направленные силы реакции дороги. Так, при работе двигателя к ведущим колесам через трансмиссию подводится крутящий момент М (см. рис.9.1), под действием которого колесо, вращаясь, стремится сдвинуть назад верхний слой покрытия дороги. Со стороны дороги на колесо действует сила тяги Р, направленная по ходу автомобиля, которая стремится его разогнать.

Суммарная тяговая сила Р которую может обеспечить двигатель на ведущих колесах определяется по формуле: Р = М / r_д , где :

М – крутящий момент ведущего колеса, зависящий от крутящего момента двигателя, передаточного числа трансмиссии (передаточных чисел коробки передач, раздаточной коробки и главной передачи) и коэффициента полезного действия трансмиссии.

r_д – динамический радиус колеса; приближенно равен статическому радиусу, значения которого приводятся в ГОСТах на пневматические шины.

Тяговая сила Р ведущих (например задних) колес через раму автомобиля вызывает качение ведомых (например передних) колес.

Если бы опорная поверхность дороги и шина были абсолютно твердыми и гладкими, то по горизонтальной поверхности колесо катилось бы без внешних сопротивлений. Но под действием части силы тяжести (веса) автомобиля G, приходящейся на колесо, и сил, приложенных к нему, шина и опорная поверхность деформируются. В результате, за счет затрат энергии на деформацию шины (по недеформированной дороге) и за счет затрат энергии на деформацию грунта и на преодоление сил трения между колесом и грунтом (по деформированной дороге) возникает направленная против вращения колеса сила сопротивления качению Р_к (см. рис. 9.2). Эта сила тем больше, чем сильнее деформируется шина и опорная поверхность.

На горизонтальных дорогах силу сопротивления качения можно вычислять по формуле: Р_к = f · R_z или Р_к = f · G , где f – коэффициент сопротивления качению колеса.

Коэффициент сопротивления качению f зависит от конструкции шины (уменьшается с увеличением размера шины) и давления в ней, скорости движения, но главное влияние на него оказывает качество и состояние дорожного покрытия. Нижние пределы данных f характерны для сухих дорог, содержащихся в хорошем состоянии, верхние – для мокрых дорог с твердым покрытием и дорог в плохом состоянии. Коэффициент f заметно увеличивается с ростом скорости свыше 80-100 ^км/ч.

При торможении автомобиля на колесе появляется тормозной момент М_т и тормозная сила Р_т , направленная против движения автомобиля (см. рис. 9.3). В результате действия этой силы автомобиль движется с замедлением.

При движении автомобиля на него часто действуют боковые силы Р_б (см. рис. 9.4), стремящиеся сдвинуть его в поперечном направлении. Такова, например сила бокового ветра или центробежная сила, возникающая при поворотах автомобиля и направленная от центра поворота. Перемещению автомобиля в этом случае препятствует реакция дороги R_у.

Тяговая Р и тормозная Р_т силы образуются благодаря сцеплению шины с поверхностью дороги. Наибольшее значение этих сил ограничивается силой сцепления колес с дорогой Р_сц , которая характеризуется коэффициентом сцепления. В зависимости от направления возможного скольжения колеса различают коэффициенты продольного φ_х и поперечного φ_у сцепления.

Продольная сила сцепления колеса с дорогой определяется по формуле:

Р_сц = φ_х · R_z , где φ_х – коэффициент продольного сцепления, соответствующий началу пробуксовки или проскальзывания колеса при отсутствии боковой силы.

Наибольшее значение боковой (центробежной) силы Р_б, действующей на колесо, при которой может возникнуть боковое скольжение, также ограничивается силой поперечного сцепления колеса с дорогой: Р_сц = φ_у · G, где φ_у – коэффициент поперечного сцепления, соответствующий началу бокового скольжения колеса при отсутствии тяговой и тормозной сил.

На практике (при расчетах) пользуются коэффициентом продольного сцепления, и именуют его коэффициентом сцепления. На коэффициент сцепления влияют многие факторы. В зависимости от качества и состояния дорожного покрытия он меняется в широких пределах от 0,05 (обледенелое покрытие дороги) до 0,8 (сухое асфальтобетонное покрытие дороги). Наибольшее влияние на коэффициент сцепления может также оказывать скорость движения, состояние протектора шин и характер действующих на колесо сил. Увеличение скорости движения сопровождается снижением коэффициента сцепления. Это особенно заметно на мокрых дорогах, т.к. влага при увеличении скорости остается в зоне контакта шины с поверхностью дороги.

Движение (качение) ведущего колеса возможно, если силы тяги Р больше значения силы сопротивления качению Р_к и меньше значения силы сцепления Р_сц. Качение без блокировки (юза) тормозящего колеса происходит, если тормозная сила Р_т не превышает значения силы сцепления. Боковое скольжение колес невозможно, если значение боковой силы Р_б меньше значения силы сцепления. Нарушение этих условий приводит к тому, что автомобиль теряет устойчивость, а управление им становится затрудненным или даже невозможным. При действии на колесо боковой силы его пробуксовка или блокировка наступает при меньших значениях соответственно тяговой или тормозной сил. И, наоборот, чем больше значение тяговой или тормозной силы, тем для заноса требуется меньшая боковая сила. Для заноса автомобиля требуется совсем незначительная боковая сила, когда его колеса пробуксовывают или заблокированы.

Понимая основные причины изменения силы сцепления, водитель сможет принимать необходимые меры для сохранения устойчивого движения автомобиля. На участках с плохим сцеплением водитель должен избегать резкого нажатия на педали управления двигателем, тормоза и резких поворотов рулевого колеса.

Основной движущей силой является тяговая сила, приложенная к ведущим колесам автомобиля. Она характеризует тяговую динамичность автомобиля. К силам препятствующим движению автомобиля относятся (см. рис. 9.5): сила сопротивления

качению Р_к, сила сопротивления подъему Р_п, сила сопротивления воздуха Р_в, сила инерции Р_и. Связь между силами сопротивления движению автомобиля и силой тяги следующая: Р = Р_к ± Р_п + Р_в ± Р_и. Эта формула (уравнение силового баланса автомобиля) позволяет установить, как тяговая сила распределяется по различным видам сопротивлений.

Сила сопротивления качению Р_к равна сумме сил сопротивления качению всех колес. На негоризонтальной дороге сила Р_к = f·G·cos α , где α – угол характеризующий крутизну подъема дороги.

Сила сопротивления подъему является составляющей силы веса: Р_п = G·sinα.

При движении автомобиля на спуске сила Р_п является движущей, и ее можно учитывать со знаком «минус».

Сила сопротивления воздуха Р_в образуется в результате: лобового сопротивления, появляющегося из-за разности давлений спереди и сзади движущегося автомобиля (55 – 60 % всего сопротивления воздуха); сопротивления, создаваемого выступающими частями – крыльями, подножками (12 – 18 %); сопротивления, возникающего при прохождении воздуха через радиатор и подкапотное пространство (10 – 15 %); трения наружных поверхностей о слои воздуха (8 – 10 %).

Сила сопротивления воздуха Р_в определяется по формуле:

Р_в = К_в · F · V² , где

F – лобовая площадь, м²

К_в – коэффициент обтекаемости, Н · с² / м⁴

V – скорость автомобиля, м/с

Коэффициент обтекаемости определяется для каждой модели автомобиля экспериментально, при продувке автомобиля или его модели в аэродинамической трубе. Коэффициент К_в равен силе сопротивления воздуха, создаваемой 1м² лобовой площади автомобиля при его движении со скоростью 1м/с.

Из уравнения видно, что при увеличении скорости движения сила сопротивления воздуха увеличивается в квадратичной зависимости. Так если скорость автомобиля увеличивается вдвое, то сила Р_в возрастает в четыре раза.

Сила инерции Р_и возникает при всяком изменении скорости движения автомобиля. Она тем больше, чем больше вес и ускорение автомобиля.

Р_и = G · j / g , где

j – ускорение автомобиля, м/с²

g – ускорение свободного падения; g = 9,8 м/с²

Автомобиль большую часть времени движется неравномерно. Вместе с изменением скорости меняется и сила инерции. На преодоление силы инерции расходуется часть тяговой силы. Сила инерции направлена параллельно дороге, в сторону противоположную ускорению. Когда автомобиль движется накатом или с замедлением сила инерции действует по направлению движения автомобиля, выполняя роль движущей силы. Поэтому перед крутым подъемом водитель разгоняет автомобиль, чтобы преодолеть его «с хода».

Если сумма всех сил сопротивления превысит тяговую силу, то движение автомобиля будет замедленным, и он может остановиться. Для увеличения тяговой силы водитель может увеличить подачу топлива в цилиндры двигателя или включить понижающую передачу в коробке передач. Наибольшее значение тяговой силы ограничено сцеплением шин ведущих колес с дорогой. Сила сцепления прямо пропорциональна весу приходящемуся на ведущие колеса G_в и коэффициенту сцепления φ_х: Р_сц = φ_х · G_в. Если у автомобиля ведущими являются все колеса, сцепной вес G_в равен весу автомобиля. Если к ведущим колесам приложена тяговая сила, большая, чем сила сцепления, то ведущие колеса пробуксовывают.

Тормозная динамичность характеризует способность автомобиля быстро уменьшать скорость, вплоть до полной остановки. При торможении между колесами и дорожным покрытием возникает тормозная сила противоположная направлению силы тяги. Торможение зависит от соотношения между тормозной силой и силой сцепления. Если сила сцепления колес с дорогой будет больше тормозной силы, то автомобиль затормаживается. Если тормозная сила будет больше силы сцепления, то при затормаживании произойдет скольжение колес относительно дороги.

В первом приближении, когда тормозные силы на всех колесах достигли максимального значения (силы сцепления шин с дорогой), то замедление будет установившемся и максимальным. Однако под действием силы инерции передний мост при торможении нагружается, а задний, напротив, разгружается. Поэтому реакция тормозной силы на передних колесах увеличивается, а на задних уменьшается. Соответственно изменяются силы сцепления, поэтому у большинства автомобилей полное и одновременное использование сцепления всеми колесами автомобиля наблюдается крайне редко и фактическое замедление меньше максимально возможного. Это создает повышенную опасность при движении пожарных автоцистерн под уклон. Центр тяжести автомобиля при этом переносится вперед и при торможении создает опрокидывающий момент, дополнительно нагружающий передний мост, что особенно опасно, когда цистерна пожарного автомобиля заполнена не полностью (при торможении жидкость, перемещаясь вперёд, ещё более увеличивает нагрузку на передний мост).

Устойчивостью автомобиля называют его свойства, которые характеризуют способность автомобиля сохранять заданное водителем движение, противостоять опрокидыванию и поперечному скольжению. Устойчивость автомобиля рассматривают в продольном и поперечном направлениях. Потеря продольной устойчивости может привести к опрокидыванию вокруг передней или задней оси при движении автомобиля на подъем или под уклон. Более вероятна и опасна потеря поперечной устойчивости, что может привести к опрокидыванию набок или к боковому скольжению (заносу). Нарушение поперечной устойчивости происходит в результате порывов бокового ветра, ударов колес о неровности дороги, а также из-за резкого поворота управляемых колес водителем. Потеря устойчивости может быть вызвана и техническими неисправностями: неисправная регулировка тормозных механизмов, прокол шины.

При повороте автомобиля, причиной нарушения устойчивости является центробежная сила Р_ц, направленная от центра поворота и приложенная к центру тяжести автомобиля. Она прямо пропорциональна квадрату скорости автомобиля и обратно пропорциональна радиусу кривизны его траектории. Когда опрокидывающий момент центробежной силы Р_ц равен или больше восстанавливающего момента от веса автомобиля G произойдет опрокидывание автомобиля. Возможность опрокидывания зависит от положения центра тяжести автомобиля. Чем выше от поверхности дороги находится центр тяжести, тем больше плечо опрокидывающей (центробежной) силы, опрокидывающий момент, и вероятнее опрокидывание автомобиля. Поэтому при компановке любого пожарного автомобиля для повышения его устойчивости, а также управляемости и тормозных свойств, положение центра тяжести должно быть как можно ниже к поверхности дороги и без смещения в сторону (например, за счет равномерного распределения специального оборудования и пожарно-технического вооружения на пожарном автомобиле).

При движении пожарной автоцистерны на повороте (см. рис. 9.6) центр тяжести автомобиля сместится: тогда сила тяжести автомобиля G, препятствующая опрокидыванию, действует уже на меньшем плече, а центробежная сила Р_ц, вызывающая опрокидывание, приложена на большем плече.

Особенно опасно движение пожарной автоцистерны с не полностью заполненной емкостью для воды, т.к. это приводит к еще большему смещению центра тяжести автомобиля и появлению дополнительной опрокидывающей силы, возникающей, когда "разбежавшаяся" вода останавливается стенкой цистерны.

При движении на повороте, когда центробежная сила Р_ц достигает значения равного силе сцепления шин колес с дорогой, возможен занос автомобиля. Боковой занос автомобиля обычно наступает раньше, чем опрокидывание. На сухих, чистых покрытиях силы сцепления достаточно велики, и автомобиль не теряет устойчивости с точки зрения заноса даже при большой центробежной силе (хотя при этом возникает вероятность опрокидывания, если скорость велика, а радиус поворота мал). Если дорога покрыта слоем мокрой грязи или льда, то автомобиль может занести даже в том случае, когда он движется с небольшой скоростью по сравнительно пологой кривой. Для гашения начавшегося заноса нужно, снизив скорость движения, повернуть рулевое колесо в сторону заноса. Автомобиль при этом начинает двигаться по более пологой кривой, радиус поворота увеличивается, а центробежная сила уменьшается. Поворачивать рулевое колесо нужно плавно и быстро, но не на очень большой угол, чтобы не вызвать заноса в противоположную сторону. Как только занос прекратится, нужно также плавно и быстро вернуть рулевое колесо в нейтральное положение. Часто занос возникает во время экстренного торможения, когда сцепление шин с дорогой уже использовано для создания тормозных сил. В этом случае следует немедленно прекратить или ослабить торможение и тем самым повысить поперечную устойчивость автомобиля.

Вождение пожарных автомобилей в различных дорожных, климатических и метеорологических условиях имеет свои сложности, и требует от водителя соответствующих знаний и навыков.

Преодоление незначительных подъемов на ровной поверхности дороги рекомендуется производить сходу, не переключая передачи. Если на подъеме начинают пробуксовывать колеса, нужно “сбросить газ” и “на тормозах” осадить автомобиль назад; затем провести повторный маневр с большим разгоном. В случае снижения скорости на подъеме нужно сразу же перейти на низшую передачу, не ожидая полной остановки автомобиля. Если же это произошло, необходимо выключить сцепление (чтобы не заглох двигатель) и остановить автомобиль рабочей или стояночной тормозными системами.

При трогании автомобиля с места на подъеме нужно действовать рычагом управления стояночного тормоза, педалями сцепления и управления двигателем так, чтобы не допустить скатывание автомобиля назад, т.е. растормаживание должно произойти в начале его движения вперед.

Крутые подъемы рекомендуется преодолевать задним ходом, так как его передача имеет максимальное тяговое усилие. Если подъем скользкий, необходимо надеть на ведущие колеса цепи противоскольжения и включить передний мост (при необходимости – понижающую передачу раздаточной коробки). Надевать цепи противоскольжения необходимо при движении на длинных подъемах с глинистой почвой, мокрой травой, густым слоем опавших листьев, при снежном покрове.

Спуски преодолеваются на пониженных передачах с притормаживанием автомобиля двигателем. Общее правило выбора передачи таково: необходимо включать ту же передачу, на которой можно подняться на подъём аналогичной крутизны. Не допускаются резкое изменение скорости и крутые повороты на спусках: это может привести к заносу либо опрокидыванию автомобиля.

Для проезда через канавы, ямы и рвы необходимо предварительно забросать их подручными материалами, а крутые края срезать, сделав более пологими. Перед канавой или ямой нужно притормозить автомобиль и включить низшую передачу. Когда передние колеса въедут в углубление, нажать на педаль управления двигателем и на повышенных оборотах выехать; также провести и задние колеса. Если ведущие колеса буксуют, это следует устранить во избежание “закапывания” автомобиля, перегрева двигателя, излишнего расхода топлива и попытаться с помощью подручных материалов выехать вперед или назад.

Движение по заболоченному лугу осуществляется без снижения скорости и остановок, на пониженных передачах и без резких поворотов во избежание срыва слоя дерна и застревания автомобиля. При необходимости рекомендуется понижать давление воздуха в шинах колес, увеличивая этим самым проходимость автомобиля.

Для преодоления водных препятствий вброд необходимо предварительно разведать глубину реки, твердость дна, пути съезда и въезда, снять ремень вентилятора, закрыть жалюзи радиатора. Следует позаботиться о том, чтобы вода не заливала распределитель и свечи зажигания, генератор, стартер, сапун. Для успешного преодоления брода необходимо включить первую передачу и медленно въезжать в воду. Затем нужно увеличить число оборотов коленчатого вала двигателя до средних и выдерживать равномерную скорость на всем участке водного пути, в момент выезда на берег следует плавно увеличить обороты двигателя автомобиля, чтобы успешно преодолеть береговую полосу. После переправы необходимо разгерметизировать автомобиль, надеть и отрегулировать ремень вентилятора, удалить сухой тряпкой воду, попавшую на двигатель, просушить тормозные накладки, несколько раз слегка притормозив автомобиль.

Движение по снежному покрову лучше осуществлять с надетыми на ведущие колеса цепями противоскольжения и на пониженных передачах при средних оборотах коленчатого вала двигателя, без резких поворотов. В случае пробуксовки ведущих колес необходимо отъехать по колее назад, очистить дорогу, подсыпать песок, шлак и сходу преодолеть препятствие. Неглубокие сугробы через дорогу можно преодолеть, используя инерцию движущегося автомобиля.

В гололедицу необходимо двигаться на пониженных скоростях, и по возможности пользоваться цепями противоскольжения. Тормозить нужно лишь при крайней необходимости и преимущественно двигателем, не выключая сцепления, путем плавного уменьшения оборотов коленчатого вала. Для предупреждения бокового заноса автомобиля не следует допускать резких поворотов рулевого колеса, резких изменений скорости движения, торможения на поворотах и закруглениях. В случае появления заноса автомобиля необходимо прекратить торможение и быстро, но не резко повернуть рулевое колесо в сторону заноса, а затем, как только автомобиль выровняется, плавно возвратить руль в первоначальное положение.

Движение автомобиля в дождь, туман, снегопад очень затруднительно, и от водителя требуется повышенная внимательность. Необходимо держать увеличенную дистанцию от впереди идущего автомобиля и двигаться как можно ближе к правой стороне дороги, усилив внимание. Скорость движения автомобиля должна быть уменьшена до такой величины, при которой остановочный путь будет в два раза меньше дистанции видимости. Запрещается производить обгон с выездом из ряда, необходимо четко и правильно пользоваться светом фар и подфарников. Дальний свет может ослеплять водителей встречного транспорта, а в тумане создает перед автомобилем непроницаемую световую завесу. Двигаясь в дождь, необходимо объезжать большие лужи или проезжать через них на малой скорости, тормозить плавно и постепенно во избежание бокового заноса автомобиля.