Силы, действующие от колеса автомобиля на дорожное покрытие

При движении автомобиля по дороге в зоне контакта шины колеса с дорожным покрытием возникают динамические вертикальные, продольные и поперечные касательные силы, значение которых зависит от типа автомобиля, шины колеса, нагрузки, природно-климатических условий и т. п.

На стоящее колесо действует только одна сила - вес автомобиля, приходящийся на это колесо. Особенностью автомобильного колеса является его эластичность. Под действием вертикальной силы колесо деформируется (рис. 3.1, а), в месте контакта радиус колеса меньше, чем в других частях колеса, не соприкасающихся с дорожным покрытием.

Рис. 3.1. Схема сил, действующих на дорожное покрытие:

а - стоящее колесо; б - ведущее колесо; в - ведомое колесо; D - размер пятна контакта колеса с дорожным покрытием; Р_ср, Р_mах - соответственно средний и максимальный прогиб дорожного полотна; G - вес автомобиля; R - сила реакции; G_к - вес автомобиля, приходящийся на колесо; M_вр - вращающий момент; Т - сила трения; r_к - расстояние от центра колеса до поверхности дорожного покрытия; r - радиус колеса;

а - расстояние от мгновенного центра скоростей О до линии действия силы реакции R; Р_к - окружная сила;

υ - скорость движения автомобиля

Площадь следа колеса Fменяется в пределах 250...1000 см². Для одного и того же автомобиля значение F, м², зависит от нагрузки на колесо:

F= G/p, (3.1)

где G - вес автомобиля, приходящийся на колесо, Н; р - давление, Па.

Значение рне должно превышать 0,65 МПа на дорогах I - II категорий и 0,55 МПа на дорогах III - V категорий.

Различают площадь отпечатка колеса по контуру в форме эллипса (рис. 3.1, а) и по выступам рисунка протектора. При определении среднего давления в расчет принимают площадь отпечатка по выступам протектора. При расчете дорожной одежды для вычисления русловно принимают площадь отпечатка в виде круга диаметром D, м, равновеликую площади эллипса:

(3.2)

В большинстве автомобилей имеются ведущие и ведомые колеса. К ведущим колесам подается вращающий момент М_вр , Н • м, от двигателя автомобиля:

М_вр = М_дв и_к и_г η, (3.3)

где М_дв - вращающий момент на коленчатом валу двигателя, Н • м; и_к - передаточное число коробки передач; и_г - передаточное число главной передачи; η -коэффициент полезного действия главной передачи.

Действие вращающего момента М_вр вызывает появление в зоне контакта окружной силы Р_к, направленной в сторону, обратную движению (рис. 3.1, б). Сила Р_к вызывает горизонтальную силу реакции Т, представляющую собой силу трения в плоскости контакта колеса с дорожным покрытием, при этом Т = Р_к.

При действии вертикальной силы G_к возникает сила реакции R, которая располагается на расстоянии а впереди по ходу движения автомобиля. Значение G_к составляет для грузовых автомобилей - (0,65...0,7) G, для легковых - (0,5...0,55) G, где G - общий вес автомобиля, Н.

На ведомое колесо (рис. 3.1, в) действует сила тяги. Горизонтальная реакция Т = Р_кнаправлена в сторону, противоположную движению. Вертикальная сила реакции R так же, как и в случае ведущего колеса, смещена по ходу движения.

Вращающий момент М_врможет быть определен также с учетом окружной силы Р_к, Н, и радиуса качения пневматического колеса r_к, м:

М_вр = Р_к r_к, (3.4)

при этом

r_к = λ r, (3.5)

где λ - коэффициент уменьшения радиуса колеса в зависимости от жесткости шин, λ = 0,93...0,96; r - радиус недеформированного колеса, м.

В точке О - мгновенном центре скоростей - приложена сила трения (сцепления) колеса с поверхностью дороги.

Можно записать

R = G_к; М_вр = Tr_к + Ra,

где а - расстояние от мгновенного центра скоростей до точки приложения силы реакции R.

Откуда

Т = М_вр/r_к - R (a/r_к). (3.6)

Поскольку

М_вр/r_к = Р_к,

Т = Р_к – G_к (а/r_к).

Обозначим

а/r_к = f; G_к (а/r_к) = G_к f = P_f. (3.7)

Тогда

Т = Р_к - Р_f,

Для ведомого колеса можно записать

G_к = R; Р_к = Т; Ra = Р_кr_к.

Отсюда

P_к = R (a/r_к); R = G_кP_к = G_кf; P_к = P_f,

где P_f- сила сопротивления качению, Н; f - коэффициент сопротивления качению.

Сопротивление качению зависит от скорости движения, эластичности шины и состояния поверхности дорожного покрытия.

Коэффициент сопротивления качению возрастает с увеличением скорости движения, так как кинетическая энергия колеса при наездах на неровности прямо пропорциональна квадрату скорости качения. Практически значение f остается постоянным до скорости движения 50 км/ч для определенного типа дорожного покрытия:

Тип дорожного покрытия	f
Цементобетонное и асфальтобетонное……………………………………	0,01…0,02
Щебеночное, обработанное вяжущим……………………………………..	0,02…0,025
Щебеночное, не обработанное вяжущим…………………………………	0,03…0,04
Ровная сухая грунтовая дорога……………………………………………	0,03…0,06

При скорости движения более 50 км/ч коэффициент сопротивления качению определяют по формуле

f_υ = f [1 + 0,01(υ – 50)], (3.8)

где υ - скорость движения, км/ч; f - коэффициент сопротивления качению при скорости движения до 50 км/ч.

Движение автомобиля возможно при условии Т > Р_к. Сила трения достигает наибольшего значения, когда

Т_mах = φ G_сц, (3.9)

где G_сц - нагрузка на ведущее колесо (сцепной вес), Н; φ - коэффициент сцепления.

Коэффициент сцепления φ - это отношение максимального значения силы тяги на ободе колеса к сцепному весу автомобиля.

Различают следующие значения коэффициентов сцепления (рис. 3.2): φ - при движении в плоскости качения без скольжения и буксования; φ₁ - при движении в плоскости качения при скольжении и буксовании (коэффициент продольного сцепления);

Рис. 3.2. Силы, действующие на дорожное покрытие на криволинейных участках: Рк - окружная сила (сила тяги); Yк - поперечная сила; R - сила реакции; φ - коэффициент сцепления; φ1 - коэффициент продольного сцепления; φ2 - коэффициент поперечного сцепления

φ₂ - при боковом заносе (коэффициент поперечного сцепления).

Между этими коэффициентами сцепления имеются следующие зависимости:

R = G φ; R² =

где Y_к - поперечная сила.

Отсюда

(3.10)

Результаты исследования показывают следующие количественные зависимости между φ, φ₁, φ₂:

φ₁ = (0,7...0,8) φ; φ₂ = (0,85...0,90) φ₁ или φ₂ = (0,6...0,7) φ.

Значение φ зависит от типа и состояния дорожного покрытия, скорости движения и других факторов (табл. 3.1).

При торможении колеса автомобиля часто возникают большие касательные усилия (рис. 3.3).

Сила торможения составляет

P_к.т. = φ G_к.т., (3.11)

где G_к.т - вес автомобиля, приходящийся на тормозящие колеса, Н.

Рис. 3.3. Силы, действующие на дорожное покрытие при торможении: Gк.т - вес автомобиля, приходящийся на тормозящие колеса; Мт - тормозящий момент; Pк.т - сила торможения; υ - скорость движения автомобиля

Таблица 3.1

Состояние дорожного покрытия	Условия движения	Коэффициент сцепления φ (при скорости движения 60 км/ч)
Сухое, чистое	Особо благоприятные	0,7
То же	Нормальные	0,5
Влажное, грязное	Неблагоприятные	0,3
Обледенелое	Особо неблагоприятные	0,1...0,2

Боковые касательные силы возникают при движении по криволинейным участкам дорог, при обгонах, боковом заносе, при сильном поперечном ветре, при наличии большого поперечного уклона проезжей части. Действие касательных сил в зоне контакта шины колеса с дорожным покрытием приводит к истиранию и деформации дорожного покрытия и истиранию шины.