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, я), а в месте контакта радиус колеса меньше, чем в других частях колеса, не соприкасающихся с дорожным покрытием.
а — стоящее колесо; б — ведущее колесо; в — ведомое колесо; D — размер пятна контакта колеса с дорожным покрытием; Рср, Ртах — соответственно средний и максимальный прогиб дорожного полотна; R — сила реакции; GK — вес автомобиля, приходящийся на колесо; Мвр — вращающий момент; Т— сила трения; гк — расстояние от центра колеса до поверхности дорожного покрытия; г — радиус колеса; а — расстояние от мгновенного центра скоростей О до линии действия силы реакции R; Рк — окружная сила; v — скорость движения автомобиля
Площадь следа колеса вменяется в пределах 250... 1000 см2. Для одного и того же автомобиля значение F, м2, зависит от нагрузки на колесо:
^ = —, (3.1)
Р
где GK — вес автомобиля, приходящийся на колесо, Н; р — давление, Па.
Значение р не должно превышать 0,65 МПа на дорогах I—II категорий и 0,55 МПа на дорогах III—V категорий.
Различают площадь отпечатка по контуру в форме эллипса (рис. 3.1, а) и по выступам рисунка протектора. При определении среднего давления в расчете принимают площадь отпечатка по выступам протектора. При расчете дорожной одежды для вычисления р условно принимают площадь отпечатка в виде круга диаметром D, м, равновеликую площади эллипса:
Я = 11,34/-^-. (3.2)
У большинства автомобилей имеются ведущие и ведомые колеса. К ведущим колесам подается вращающий момент Мвр, Н-м, от двигателя автомобиля
AfBp = MRBuKurr\, (3.3)
где Мдв — вращающий момент на коленчатом валу двигателя, Н-м;
ык — передаточное число коробки передач;
ыг — передаточное число главной передачи;
г] — коэффициент полезного действия главной передачи.
Действие вращающего момента Мвр вызывает появление в зоне контакта окружной силы РК9 направленной в сторону, обратную движению (рис. 3.1, б). Сила Рк вызывает горизонтальную силу реакции Т, представляющую собой силу трения в плоскости контакта колеса с дорожным покрытием, при этом Т— Рк.
При действии вертикальной силы GK возникает сила реакции R, которая располагается на расстоянии а впереди по ходу движения автомобиля. Значение GK 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= Рк направлена в сторону, противоположную движению. Вертикальная сила реакции R так же, как и в случае ведущего колеса, смещена по ходу движения. Вращающий момент Мър может быть определен также с учетом окружной силы Рк, Н, и радиуса качения пневматического колеса гк, м:
Мвр = Ркгк, (3.4)
при этом гк = А,г, (3.5)
где X — коэффициент уменьшения радиуса колеса в зависимости
от жесткости шин;
X = 0,93...0,96;
г — радиус недеформированного колеса, м.
В точке О, мгновенном центре скоростей, приложена сила трения (сцепления) колеса с поверхностью дороги.
Можно записать R = GK; Мвр = TrK + Ra, где а — расстояние от мгновенного центра скоростей до точки приложения силы реакции R.
Откуда t = ?*~R—. (3.6)
Поскольку ^2- = Рк, то T = PK-GK—.
'к к
Обозначим — = /;
в
. Тогда Т= Рк- Pf. Для ведомого колеса можно записать
GK= R; Рк= Т\ Ra= Рк • г. Отсюда PK=R(a/rk);
R = GKPK = GKf;
где Pf — сила сопротивления качению, Н;
/ — 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/остается постоянным до скорости движения 50 км/ч для определенного типа дорожного покрытия:
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
/„=/[1+0,01(17-50)], (3.8)
где i; — скорость движения, км/ч;
/ — коэффициент сопротивления качению при скорости движения до 50 км/ч.
Движение автомобиля возможно при условии Т > Рк. Сила трения достигает наибольшего значения, когда
= ф<7сц, (3.9)
где GCIX — нагрузка на ведущее колесо (сцепной вес), Н; ср — коэффициент сцепления.
Коэффициент сцепления ср — это отношение максимального значения силы тяги на ободе колеса к сцепному весу автомобиля.
Различают следующие значения коэффициентов сцепления (рис. 3.2):
Ф — при движении в плоскости качения без скольжения и буксования;
ф! — при движении в плоскости качения при скольжении и буксовании (коэффициент продольного сцепления);
ф2 — при боковом заносе (коэффициент поперечного сцепления).
Между этими коэффициентами сцепления имеются следующие зависимости:
Л = Схр; R2 = PK2 + YK2;
Ф2=Ф2+Ф2,
где YK — поперечная сила.
Рк — окружная сила (сила тяги); YK — поперечная сила; R — сила реакции; Ф — коэффициент сцепления; ф! — коэффициент продольного сцепления; ф2 — коэффициент поперечного сцепления
Отсюда 9j = yjcp2 - Ф2 . (3.10)
Результаты исследования показывают следующие количественные зависимости между ср, фь ф2:
ф! = (0,7...0,8)ф; ф2 = (0,85...0,90)ф1 или ф2 = (0,6...0,7)ф.
Значение ф 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
Рк.т. = <?<3Кт, (3.11)
где GKT — вес автомобиля, приходящийся на тормозящие колеса, Н.
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.