NewLink.ru - Гоночная Библиотека Главная | Контакт | ПОиск  
  Новости | О проекте | Пилотаж | Настройка | Разное | Медиа | Ссылки | Блог  
       
.
Home > Пилотаж >
Торможение двигателем - ответ Константина Крупникова на письмо читателя
От NewLink.ru:

Эта статья (а точнее ответ на письмо читателя) была взята с сайта Михаила Горбачева - drive-class.ru и публикуется здесь с разрешения автора. Автор статьи: Константин Крупников.

Торможение двигателем - ответ Константина Крупникова на письмо читателя

Письмо читателя: Здравствуйте Михаил Георгиевич, в ваших книгах постоянно подчеркивается малая эффективность торможения двигателем. В случае использования торможение двигателем на спуске, в течение продолжительного времени, когда оно является установившимся, или длящимся процессом, когда обороты двигателя уже не изменяются это справедливо. Но вы нигде не упоминаете о гироскопическом моменте двигателя и об его влиянии на начальный этап торможения двигателем. Хотя самые первые мгновенья торможения двигателем, когда обороты двигателя падают при сбросе газа, или растут при резком отпускании сцепления, по эффективности могут быть сопоставимы с эффективностью тормозной системы. Особенно это актуально для машин с ABS, когда колеса нельзя довести до блокировки тормозной системой. Торможение двигателем может сократить тормозной путь на недостающие несколько метров. Конечно эффект проявляется только в момент падения или возрастания оборотов двигателя и является кратковременным.

ККК. Торможение двигателем как процесс, снижающий скорость движения автомобиля либо сохраняющий её постоянной на спуске, является хорошим и распространённым методом управления автомобилем в обычном дорожном движении. Принцип основан на компрессионных потерях, т.е. используется разрежение воздуха во впускной системе. Степень сжатия дизельных двигателей (применяемых в большинстве большегрузных автомобилей) примерно в 1,5 раза выше, чем у бензиновых. Поэтому дизельный двигатель тормозит эффективнее, чем бензиновый. Для большегрузных автомобилей разрабатываются и широко используются ╚моторные тормоза╩, имеющие отдельное ручное или автоматическое включение. В моторных тормозах дополнительно используется сжатие воздуха в выпускной системе. Торможение такими устройствами сравнимо по мощности с характеристикой двигателя. Что касается короткого (доли секунды) интервала времени, когда водитель, резко бросая педаль сцепления, стремится раскрутить двигатель со стороны колёс, то, действительно, увеличение оборотов двигателя таким способом потребляет кинетическую энергию движения и снижает скорость. Пример тому √ запуск двигателя ╚с толкача╩ или с горки: в момент соединения дисков сцепления машина может остановиться. При таком способе в трансмиссии возникают ударные нагрузки, сильно изнашивающие её. Обозначать этот способ использованием гироскопического момента неверно. Гироскопом называется иной механизм, в нём существенен эффект сил Кориолиса. Ударный бросок сцепления можно назвать эффект маховика, причём маховиком становится двигатель с навесными устройствами. Простой сброс газа при включённом сцеплении √ чисто компрессионный способ торможения двигателем: падает сечение впускной системы. Примерно с 1980-х стали конструктивно уменьшать эффективность компрессионного торможения двигателем, как экологически вредного действия (топливо всасывается, а воздуха мало). В целом, являясь сторонником торможения двигателем в повседневной езде (в том числе приводящей к экономии топлива), считаю его в спортивной езде признаком неграмотности и недостаточной квалификации. Кратко, причины таковы: (1) мощность колёсных тормозных устройств примерно на порядок выше мощности двигателя √ сравните пути торможения и разгона до той же скорости, а потом проверьте ╚тормозной╩ путь с использованием только двигателя √ он будет примерно в 10 раз длиннее; (2) торможение двигателем менее управляемо в силу его инерционности и даёт различные коэффициенты усиления вакуумного усилителя тормозов, что резко затрудняет торможение на грани блокировки колёс; (3) спортивное сцепление ещё менее работоспособно при частичном проскальзывании, чем обычное; (4) существует опасность ╚перекрута╩ форсированного двигателя, т.е. превышения допустимых оборотов. Два последних пункта чреваты разрушением механизмов, в чём убедилась добрая половина гонщиков СССР. Наивно предполагать, что конструктор автомобиля второй половины ХХ века сделал слабые тормоза, заставляя водителя дотормаживать двигателем и путаться в трёх педалях. А как быть с автоматической коробкой передач? При наличии ABS используйте шины, соответствующие скользкости покрытия; попытки сэкономить на хороших шинах (зимой обязательно применяйте шипованные) заканчиваются ремонтом кузова. Так что ╚не сникерсни √ тормози╩.

ПЧ: Также до сих пор не встретил информации о причинах повышенной эффективности ступенчатого \ прерывистого торможения с кратковременными блокировками колес, хотя в них учувствует гироскопический момент инерции колес. В обоих видах данного торможения в промежутках между кратковременными (мгновенными) блокировками колес энергия движения дополнительно расходуется на последующую раскрутку колес и ходовой части (практически без потери устойчивости автомобиля), а далее при очередной блокировке эта часть энергии гасится в тормозной системе. При небольшом проскальзывании колес в процессе такого торможения достигается также максимальный коэффициент сцепления колес. Энергия, запасенная таким образом в раскрученных колесах, гасится тормозной системой и не затрудняет основного торможения в контакте шины с дорогой, так как тормозная система современного автомобиля способна блокировать колеса практически в любой реальной ситуации.

Про энергию, запасенную во вращающемся колесе: Возьмем в качестве примера среднестатистическое колесо с шиной 185\65\R15 на кованном стальном диске.

Масса шины 5 кг.
Внешний радиус шины 26 см, внутренний радиус шины 19см.
Масса диска 9кг, радиус 19см.
Момент инерции для шины J=m*R*R, где R- средний радиус (26+19)\2=35,5
Jшины=5*0,355*0,355=0,63
Момент инерции для диска приблизительно J=m*R*R\1,5
Jдиска= 9*0,19*0,19\1,5=0,22
Общий момент инерции равен J=0,63+0,22=0,85
Энергия, запасенная вращением E=J*W*W\2. где W- угловая скорость.

Посчитаем сколько энергии запасается в колесе при 60 км в ч.

60км в ч это (\3,6) 16,6 м в сек.
Периметр колеса 2*3,14*0.26=1,63 м
При 16,6 м в с оно делает 16,6\1,63=10 оборотов в секунду. Это W=10*2*3,14=62,8 радиан в сек.
Запасенная энергия вращения E=0,85*62,8*62,8\2=1676 Дж

Если эта энергия дополнительно гасится в 1 сек, то это примерно дополнительные пара лошадиных сил (2*736 Вт) на каждое колесо. При экстренном ступенчатом торможении энергия после блокировки колес (на мгновенье) расходуется не только на раскрутку колес, но и на раскрутку ходовой части. И это конечно не на много, на несколько процентов, но все же сокращает тормозной путь при экстренном торможении. Из этих формул очень хорошо видно, что масса шин, как вы пишите, очень сильно влияет на динамику, и существенно больше, чем применяемые диски.

ККК. Основная причина снижения скорости при торможении √ диссипативные потери энергии в двух семействах трущихся пар: шина-дорога и колодка-диск (или колодка-барабан). Понятно, что трение покоя в одной из этих пар сопровождается трением скольжения в другой. Возможно третье состояние - с трением скольжения в обоих парах; такой случай наиболее труден для реализации. Указанный Вами четвёртый канал потери энергии на раскручивание остановившихся деталей, безусловно, существует. Вы предлагаете укоротить тормозной путь посредством раскручивания колёс после кратковременного скольжения шин. Думаю, что большинству читателей не будет интересно следить за дискуссией о точности приближений: сколь верно Вы учли П-образную форму шины и Т-образную форму колёсного диска, почему вдвое занизили массу шины, зачем переоценили время раскручивания на порядок √ прикиньте длину ╚юза╩. Вы зря пренебрегли немалой массой вращающихся частей трансмиссии, связанных с ведущими колёсами. Вы не учли эффекта дифференциала, когда одно ведущее колесо начнёт вращаться вдвое быстрее при остановке другого. Полагаю, Вы упомянули некоторые детали (тормозной диск, ступицы) в неудачном выражении ╚┘раскрутку ходовой части╩. Лучше допустим, что Ваши предположения и расчёты верны. Проведём оценку, какой вклад в уменьшение тормозного пути принесёт Ваша ╚пара лошадиных сил╩. Автомобиль массой M кг, движущийся со скоростью V метров в секунду (W км/час) имеет кинетическую энергию E[Дж] = 0,5 * M * V * V кг*м*м/с/с. Его тормозной путь в заданных стандартных условиях не должен превышать S метров. Указанную энергию надо поглотить путём тормозной силы, действующей на указанном пути, т.е. произвести работу. Время остановки в приближении постоянного замедления равно T = 2 * S / V сек. Мощность торможения есть частное от деления работы на время, что составит P[Вт] = E/T = M * V * V * V/S/4. При скорости W=60 км/час (V=16,7 м/с) и тормозном пути S=33,1 м получим мощность торможения P=52766 вТ (72 л.с.) и время остановки T=3,96 сек. По Вашей оценке от раскрутки всех заблокированных колёс добавится 1676 * 4 = 6704 Вт, т.е. 12,7 процентов, от одного колеса √ 3,2 процента. Эта добавка ╚тормозной мощности╩ будет действовать не всё время торможения, а короткое время после окончания ╚юза╩. Чтобы рационально использовать эту добавку, остальное время колесу придётся тормозить с максимальным замедлением. Так что при наличии прецизионной регулировки тормозного усилия как будто ожидается искомый эффект. Но есть неприятность: перед тем, как колесо будет раскручиваться (поглощая энергию), оно скользит. Следовательно, необходимое условие сокращения тормозного пути кроется в отношении коэффициентов трения скольжения и покоя. Если они отличаются более, чем на найденные проценты, то Ваша затея потерпит крах: вся предложенная экономия растранжирится за время скольжения. К тому же, Вы упустили главное √ насколько торможение удобно для водителя. Ведь с точки зрения управления автомобилем лучшим из четырёх указанных выше случаев (качение, полный ╚юз╩, неполный ╚юз╩, раскручивание после ╚юза╩) будет не тот, в котором интегрально диссипируется больше энергии, а тот, который позволяет сохранять контроль над траекторией. Согласитесь, что намного опаснее автомобиль, который при торможении шарахается из стороны в сторону, по сравнению с автомобилем, замедляющимся медленнее, но прямолинейно. Водителю проще научиться упреждать длинный тормозной путь машины, чем ╚ловить╩ её, скачущую влево и вправо случайным образом. Кроме того, при боковых бросках автомобиля водитель от испуга рефлекторно снизит тормозное усилие, тем самым фактически увеличит тормозной путь. При торможении со всеми заблокированными колёсами автомобиль становится неуправляемым, двигаясь по баллистической траектории. Если блокируются не все колёса, то вследствие разного коэффициента трения возникает разворачивающий момент, скомпенсировать который рядовой водитель вряд ли сможет. Как раз блокировке колёс противодействует АБС, в ряде случаях увеличивая тормозной путь, о чём многие не подозревают. Ваше предложение приведёт к спонтанной потере управляемости автомобиля. Возможно, предложенная Вами поправка могла бы оказать пользу на железнодорожном и трамвайном транспорте: рельсы не дадут возможности рыскать. Осталось сверить по справочнику коэффициенты трения покоя и скольжения для пары ╚чугун по стали╩. Вообще-то, блокировка колёс при торможении автомобиля, не оборудованного АБС, происходит в трёх случаях: ошибка водителя √ чрезмерно высокое усилие нажатия; и два действия гонщика высокой квалификации (либо с целью бокового срыва, либо торможение на сыпучем покрытии путём сгребания его перед собой √ эффект бульдозера). Наконец, существует способ ╚прерывистого торможения╩, когда частыми (более 2-5 герц) тренированными дозированными действиями водитель объединяет снижение скорости и руление; такой способ иногда зовётся ╚русский АБС╩. Последний способ (к сожалению, мало популярный в автошколах) вполне эффективен на скользком покрытии. Причина - в явлении переменного характера замедления. Все знают, что при торможении ╚юзом╩ тормозной путь длиннее, но вряд ли многим известно, что темп замедления отличается от торможения без блокировки колёс. Физика трения такова, что торможение автомобиля при постоянно нажатой педали тормоза происходит при переменном ускорении. Если колёса катятся, то интенсивность замедления растёт с падением скорости, а если идут ╚юзом╩, то наоборот √ падает. Когда столкновение неизбежно, торможение ╚юзом╩ чуть сильнее снизит скорость, и удар произойдёт с несколько меньшей энергией. Опасность ╚юза╩ заключается в неуправляемом скольжении и возможном вращении автомобиля: удар боком намного опаснее, чем передом.

ПЧ: Вы совершенно справедливо пишите о том, что современные двигатели не нуждаются в длительном прогреве, но многие могут понять ваши слова буквально ? повернул ключ, завел двигатель и сразу же трогайся, только ехать нужно медленно первые сотни метров. Мне в связи с этим вспоминается школьный опыт с очень близкими по размеру кольцом и шариком. Пока шарик холодный он проходит через кольцо, когда шарик нагревают на спиртовке, он застревает, так как тела при нагревании расширяются. Очень похожий процесс происходит в двигателе межу поршнем и цилиндром. В первые несколько десятков секунд после пуска двигателя под действием сгорающего топлива поршни расширяются с небольшим опережением, так как цилиндры и весь корпус двигателя имеют существенно большую теплоемкость и набирают температуру медленнее. Любая дополнительная нагрузка на двигатель вызывает дополнительные микро перекосы поршня и приводит к дополнительному износу цилиндров в этот момент. Уже после минуты прогрева данная проблема перестает существовать. А так как кроме блока цилиндров нужно прогревать множество других трущихся деталей, включая и механизмы подвески с шинами, далее нужно прогревать двигатель на ходу. В морозы под -30 наверное целесообразно увеличить время прогрева без движения до 2-3 минут. Вы все время говорите о необходимости действовать в соответствии с законами природы, ну или с явлениями, которые происходят в независимости от наших желаний и поступков, в данном случае ни какие новые технологии не отменяют необходимости кратковременного прогрева двигателя.

ККК. Одним из главных достоинств современных устройств, предназначенных к широкому использованию людьми, не обладающими специальными качествами, является fool-proof (читается фул-пруф), что означает в буквальном переводе √ неуязвимость для дурака, ╚дуракоустойчивость╩. Это качество подразумевает, что устройство трудно испортить при довольно беспорядочном и неграмотном обращении. Автомобиль сегодня - вполне бытовой механизм, имеющий некоторую дуракоустойчивость. Примеры √ нельзя превысить максимальные обороты двигателя, нажимая на педаль акселератора, фары гаснут при выключении зажигания, американский автомобиль нельзя запустить, не нажав на педаль тормоза и т.д. Подозреваю, что конструкторы современных двигателей в курсе разных термических коэффициентов расширения. Но каждый имеет право на сомнение. Вы можете лично провести эксплуатационные испытания по оценке экономических потерь, сравнив расходы на топливо и ремонт в двух режимах эксплуатации √ с мгновенным началом движения после пуска двигателя или с прогревом угодной Вам продолжительности. Сообщите, пожалуйста, о результатах. Торопитесь, пока не принят закон об охране воздуха, запрещающий стоянку с работающим двигателем, каковой действует в развитых странах. Для справки: прогрев силовой установки (двигателя) до термодинамического равновесия происходит в течение 20 минут, а ходовой части √ 40 минут движения. Износ двигателя наибольший, пока он холодный, а под нагрузкой, т.е. в движении прогрев идёт в несколько раз быстрее, чем на холостом ходу. Антропоморфное представление об агрегате невежественно. Что касается пожелания не выводить двигатель на высокие обороты сразу после его холодного пуска, то оно связано с вязкостью масла. Нынешние автомобили BMW имеют подвижную индикацию предельно допустимых оборотов двигателя, меняющихся в зависимости от его температуры. Вопреки Вашему заблуждению, как раз новые технологии, инициированные современным законодательством, исключают прогрев двигателя как норму поведения законопослушного гражданина. В этом отличие прогресса от квасного патриотизма.

 
Arty © 2003 - 2010