Взаимодействие колеса автомобиля с мокрым покрытием и роль шероховатости
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 пленка воды, перемешанная с остатками масел, бензина и грязи. Чтобы обеспечить достаточное сцепление колес автомобиля, поверхность должна иметь шероховатую структуру, позволяющую разорвать эту пленку и обеспечить непосредственный контакт протектора с покрытием. Выступы шероховатости вдавливаются в протектор, увеличивая деформационную составляющую силы трения. Шероховатость образует систему дренирующих ходов, по которым вода отжимается из зоны контакта На мокрых шероховатых покрытиях с ростом скорости коэффициент сцепления снижается значительно меньше, чем на гладких, на сухих покрытиях с увеличением шероховатости уменьшается коэффициент сцепления при всех скоростях. Однако эти зависимости действительны для небольшой толщины слоя воды (до 10 мм) и скорости не более 80 – 100 км/ч.
7.Аквапланирование автомобильных шин и методы его предотвращения средствами эксплуатации дорог. Сущность аквапланирования состоит в том, что при наличии на покрытии сплошного слоя жидкости (вода, слякость) глубиной не менее критической hкр, под колесами в зоне расположения головной волны создается жидкостный клин, оказывающий гидродинамическое давление R на колеса. С увеличением скорости это давление возрастает и при определенной скорости, называемой критической скоростью аквапланирования vакв. С этого момента колеса как бы всплывают и начинают скользить по жидкости. На возникновение аквапланирования влияют глубина слоя и плотность жидкости, давление в шинах, рисунок и степень износа протекторов, структура поверхности покрытия. Выступы шероховатости уменьшают активную толщину слоя воды hакт, которая действует на колеса автомобиля, и тем самым снижают гидродинамическую подъемную силу. Как показывают расчеты и экспериментальные наблюдения, на гладких покрытиях аквапланирование может возникать, когда слой воды или грязи всего 2-3 мм. Если слой толще 10 мм, как правило, его уже нельзя избежать. Скорость начала аквапланирования колеблется от 60 до 100 км/ч.
Для своевременного отвода воды с поверхности дороги необходимо соблюдать государственные стандарты в области дренажа, в том числе принцип поперечного уклона дорожного покрытия. Наличие уклона не менее 4 % (4 см уклона на 1 метр) позволяет своевременно удалять осадки в дренажные системы, тем самым улучшая сцепление шин с дорогой и снижая вероятность аквапланирования.
8.Взаимодействие колеса автомобиля с заснеженным и оледенелым покрытием. Наличие сухого снега приводит к тому, что сопротивление качению увеличивается в 10-15 раз в зависимости от толщины снежных отложений по сравнению с движением по чистому покрытию. Движение колес автомобилей по снежному накату также сопровождается образованием колей и увеличением сопротивления качению. Сухие чистые покрытия зимой обеспечивают достаточно высокие сцепные качества. При наличии рыхлого снега на покрытии коэффициент сцепления мало зависит от параметров шероховатости, но существенно зависит от толщины слоя, плотности, влажности и температуры снега. Сцепные качества уплотненного снега на покрытии также зависят от прочности снега, которая в свою очередь зависит от его плотности и температуры. Вследствие большого сопротивления качению и низких сцепных качеств на заснеженном и оледенелом покрытиях снижается скорость вплоть до остановки. На заснеженных покрытиях и при гололеде шероховатость на сцепные качества почти не влияет. На гладком покрытии уплотняемый снег имеет однородную структуру. На шероховатых покрытиях снег, уплотненный между выступами каменных частиц, содержит значительное количество воздуха и 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. При определенных соотношениях температуры и плотности снега, интенсивности, состава и скорости транспортного потока на шероховатых покрытиях наблюдается процесс быстрого разрушения снежного слоя и происходит самоочистка покрытия.
9. Значения коэффициентов сцепления для покрытий вновь построенных и
реконструированных дорог I - III категорий, на участках дорог после ремонта или выполнения мероприятий по повышению шероховатости должны соответствовать требованиям СНиП 2.05.02-85
Начальная шероховатость покрытия (т.е. шероховатость в момент сдачи
дроги в эксплуатацию после строительства или ремонта, устройства
поверхностной обработки) должна отвечать требованиям СНиП 3.06.03-85
В начальной стадии эксплуатации дороги коэффициент (φ) сцепления на всем протяжении автомагистрали при измерениях со скоростью V=60 км/ч на мокрых покрытиях должен быть φ ≥ 0,45, а на участках со сложными условиями движения (переходно-скоростные полосы, рампы пересечений в разных уровнях, участки разделения и слияния потоков) - φ ≥ 0,5. При этом снижение коэффициента сцепления с увеличением скорости с 60 до 80 км/ч не должно превышать 0,05 на основном протяжении автомобильной дороги и 0,10 на участках со сложными условиями движения. Коэффициенты сцепления в процессе эксплуатации автомобильной дороги (включая покрытия остановочных полос) должны быть φ ≥ 0,4 при измерениях на скорости V=60 км/ч и мокром покрытии. Вне зависимости от числа полос движения и средних скоростей транспортных потоков сцепные качества покрытия в поперечном профиле должны быть одинаковыми
10. Ровность дорожного покрытия является одним из основных показателей, характеризующих удобство движения по дороге и оказывающих решающее влияние на скорость движения автомобилей и транспортную работу дороги в целом.
При плохом состоянии дорожного покрытия значительно ухудшаются условия движения: появляются вредные для водителя и автомобиля вибрации, существенно усложняются условия работы водителя, так как ему длительное время приходится отслеживать состояние проезжей части, часто изменяя траекторию движения, осуществляя торможение и разгоны. Всем этим внимание водителя отвлекается от других важных с точки зрения безопасности дорожного движения элементов дороги и автомобиля. Поэтому ухудшение ровности дорожного покрытия приводит к повышению аварийности.
Степень ровности дорожного покрытия оценивается по зазору между нижней плоскостью рейки, уложенной на проезжую часть, и поверхностью дорожного покрытия.
11.Неровности имеют различные размеры и формы, их распределение по поверхности носит случайный характер, за исключением гравийных и щебеночных покрытий, где неровности в виде гребенки распределяются, как правило, равномерно по длине покрытия. Неровности вызывают вертикальные, продольные и поперечные колебания автомобиля, которые передаются водителю. По влиянию на колебания автомобиля неровности можно разделить на три группы: макронеровности, микронеровности и шероховатость. Макронеровности формируют макропрофиль поверхности покрытия и состоят из длинных плавных неровностей длиной волны не менее 100 м. Они влияют на работу двигателя и режим движения, но не приводят к колебаниям автомобиля на подвеске. Фактически это продольный профиль дороги. Микронеровности формируют микропрофиль поверхности и состоят из неровностей длиной волны от 10 до 100 м, которые вызывают значительные колебания автомобиля на подвеске. Шероховатость - совокупность неровностей длиной волны до 3-10 см, которые не вызывают низкочастотных колебаний автомобиля на подвеске, так как их воздействие поглощают шины. Все основные неровности относятся к микропрофилю поверхности покрытия. Значительная часть этих неровностей формируется уже на стадии строительства, когда фактический профиль покрытия отличается от проектного на размер допустимых просветов под 3-метровой рейкой
В процессе эксплуатации дороги число и размеры неровностей увеличиваются. На асфальтобетонных и цементобетонных покрытиях высота (глубина) неровностей может достигать 20 мм, на щебеночных и гравийных, обработанных вяжущими,-40 мм, на гравийных и щебеночных-50 мм
12. Вибрация, являясь по своей сути механическими колебаниями, оказывает воздействие как на отдельные части тела водителя, так и на весь организм в целом. Она особенно опасна, если ее частота совпадает с частотой колебаний отдельных частей и органов человеческого тела, т.е. когда мы имеем дело с так называемым явлением резонанса. На примере раскачивания детских качелей мы знаем, что если в такт качания прикладывать небольшое усилие, то через несколько секунд амплитуда движения качелей будет очень велика. Явление резонанса и заключается в том, что механические колебания следуют с частотой колебаний наших органов или частей тела, сильно "раскачивают" их. В результате этого даже незначительный уровень вибрации может оказать сильное влияние на наше функциональное состояние.
13. Критерии оценки ровности дорожных покрытий. Колебания автомобиля, возникающие при движении по неровной поверхности, разделяют на неустановившиеся и установившиеся.
Виды колебаний автомобиля при взаимодействии с дорогой: а - неустановившиеся; б - установившиеся; 1 - неровности дороги; l – время Неустановившиеся колебания наиболее распространены и возникают при наезде на единичные или повторяющиеся неровности различного размера и очертания.
Установившиеся колебания образуются при наезде на регулярно повторяющиеся неровности (волны, гребенка, стыки бетонных плит и т.д.). Колебания автомобиля характеризуются амплитудой Z, и частотой η, их ускорением Ż и суммарной амплитудой S. Поэтому характеристики колебаний автомобиля служат косвенными показателями ровности покрытия. Ровность покрытия измеряют суммой амплитуд колебания подрессоренной массы или массы автомобиля при проезде неровностей на участке. Sc = qΣhi, где q – коэффициент, зависящий от типа покрытий; Σhi – сумма максимальных просветов под 3-метровой рейкой. Решающим является критерий обеспечения удобства и комфортности для водителя и пассажиров. Исследованиями проф. Р.В. Ротенберга и других установлено, что на неровной поверхности ощущение колебаний водителем начинается с момента, когда ускорения колебаний достигнут Ż = 0,5 м/с2. По мере возрастания скорости автомобиля и неровностей покрытия возникают беспокоящие колебания. Этому состоянию ориентировочно соответствуют ускорения Ż = 2,5 – 3 м/с2; При длительном действии колебания становятся неприятными и непереносимыми Ż =3 – 5 м/с2. Единичные большие или длительные средние значения колебания влияют на функциональное состояние водителя, снижают его работоспособность.
14. Требования к ровности. При разработке требований к ровности покрытий исходят из допустимых амплитуд и ускорений колебаний автом-лей при расчетной скорости. Колебания автом-ля, возникающие при движении по неровной поверхности, разделяют на: а- неустановившиеся; б– установившиеся;
Неустановившиеся колебания 
наиболее распространены и возникают при наезде на единичные
или повторяющиеся неровности различного размера и очертания.
Установившиеся колебания образуются при наезде на регулярно повторяющиеся неровности (волны, гребенка, стыки бетонных плит и т.д.).Колебания автомобиля характеризуются амплитудой Z, и частотой η, их ускорением Ż и суммарной амплитудой S. С ростом скорости автомобиля эти показатели увеличиваются. С увеличением размеров неровностей все показатели, кроме η, также возрастают. Поэтому характеристики колебаний автомобиля служат косвенными показателями ровности покрытия. Ровность покрытия измеряют суммой амплитуд колебания подрессоренной массы или массы автомобиля при проезде неровностей на участке. Канд. техн. наук С. С. Кизима установил зависимость между высотой неровностей и суммарной амплитудой колебаний Sc = qΣhi, где q – коэффициент, зависящий от типа покрытий; Σhi – сумма максимальных просветов под 3-метровой рейкой.Для оценки частоты повторения неровностей определен-ной длины волны применяют метод спектральной плотности дисперсий.
15. Природно-климатические факторы и их влияние на изменение водно-теплового режима земляного полотна. Наибольшее влияние на состояние дорог и движение автомобилей оказывают рельеф и ландшафт местности, грунтово-геологические, гидрологические и погодно-климатические факторы. Из грунтово-геологических и гидрологических факторов выделяют тип и характеристики грунтов земляного полотна и подстилающих слоев, глубину промерзания, уровень и характер залегания грунтовых вод, условия стока поверхностной воды. К погодно-климатическим факторам относят: атмосферное давление, солнечную радиацию, температуру и влажность воздуха, осадки (дождь, снегопад), ветер, метель, гололед, туман, а также их сочетание. Погодно-климатические факторы формируют водно-тепловой режим земляного полотна (ВТР) - закономерные сезонные изменения влажности и температуры в полотне и слоях одежд.
16. Закономерности водно-теплового режима земляного полотна. Для районов с сезонным промерзанием полотна можно выделить четыре периода: Предзимний период, или период первоначального накопления влаги осенью, характерен охлаждением и интенсивным увлажнением полотну и одежды атмосферными осадками поднятием уровня грунтовой воды, медленным нарастанием влажности, снижением плотности грунта и прочности одежды. Влажность может достигать 0,7 Wт (где Wт – влажность предела текучести грунта). В отдельные годы наблюдаются резкие смены температур от положительных к отрицательным. Такие температурные удары вызывают линейные сокращения покрытий, скорость которых выше, чем для нижележащих оснований. Это приводит к образованию поперечных температурных трещин.
Морозный период, или период промерзания, характерен перераспределением и накоплением влаги в земляном полотне. Наблюдается снижение tгр, промерзание грунта, дальнейшее увеличение влажности и снижение плотности грунта. Вода из нижних слоев полотна, особенно парообразная и жидкообразная, интенсивно мигрирует снизу и частично со стороны обочин к оси дороги. В зависимости от продолжительности периода Тх, мощности источников увлажнения и скорости промерзания к концу холодного периода в верхней части полотна может накопиться значительное количество воды.
Весенний период – период оттаивания грунта и насыщения его свободной водой. Это самый опасный период, его принимают за расчетный для дорожных одежд и земляного полотна. Скопившийся в линзах и прослойках лед в верхней части земляного полотна оттаивает, и поры грунта заполняются свободной водой, которая скапливается над еще не оттаявшим грунтом (донник). Образовавшееся мокрое корыто сохраняет некоторый период максимальную влажность W = (0,85 ÷ 1,0) Wт, минимальную плотность и прочность грунта. Под действием нагревающегося воздуха и автомобилей часть воды отжимается в дренирующий слой, часть в обочины и нижележащие слои по мере их оттаивания.
Летний период – просыхание земляного полотна. После полного оттаивания грунт постепенно просыхает, снижается влажность до наименьшего сезонного значения Wmin ≈ 0,5 Wт, постепенно возрастает плотность и прочность земляного полотна.