2.2. 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, погодно-климатических условий и др.

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. 2.1, а), в месте контакта радиус колеса меньше, чем в других частях колеса, не соприкасающихся с покрытием.

Площадь следа колеса S меняется в пределах 250 - 1000 см². Для одного и того же автомобиля значение S зависит от нагрузки на колесо: .

S = G/p , (2,1)

где G - вес автомобиля, приходящийся на колесо, Н;

р - давление, Па.

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

Различают площадь отпечатка по контуру в форме эллипса (см. рис. 2.1, а) и по выступам ри­сунка протектора. При определении среднего давления в расчет принимают площадь отпечатка по выступам протектора. При расчете дорожной одеж­ды для вычисления р условно принимают площадь отпечатка в виде круга диаметром D равновели­кую площади эллипса:

D = 11,3 (2.2)

В большинстве автомобилей имеются ведущие и ведомые колеса. К ведущим колесам подается вращающий момент М_вр от двигателя автомобиля: М_вр=М_двn_кn_r , (2.3)

где М_дв- вращающий момент на коленчатом валу двига­теля;

п_к - передаточное число коробки передач;

п_r - передаточное число главной передачи;

- 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. 2.1, б). Сила Р_к вызывает горизонтальную силу ре­акции Т, представляющую собой силу трения в плоскости контакта колеса с 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. 2.1, в) действует сила тяги. Горизонтальная реакция Т=Р_К направлена в сторону, противоположную движению. Верти­кальная сила реакции R так же, как и в случае ведущего колеса, смещена по ходу движения.

Вращающий момент М_вр может быть определен также с учетом окружной силы Р_к и радиуса каче­ния пневматического колеса г_к.

М_вр= Р_кr_к (2.4)

При этом r_к = г , (2.5)

где r - радиус недеформированного колеса;

- коэффициент уменьшения радиуса колеса в зависи­мости от жесткости шин (= 0,93 - 0,96).

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

Можно записать R = G_К; М_вр = Тг_к + Rа, откуда Т = М_вр/г_к - R(а/г_к). (2.6)

Так как М_вр/г_к = Р_к, то Т = Р_к - G_к(а/г_к).

Обозначим:

a/r_к =f ; G_к(а/г_к) = G_кf = Р_f (2.7)

Отсюда Т = Р_к - Р_f.

Для ведомого колеса будем иметь (см. рис. 2.1, в):

G_к = R; Р_к = Т; Ra = Р_к r_к.

Отсюда Р_к = R (а/г_к); R = G_к Р_к = G_кf ; Р_к = Р_f ,

где Р_f - сила сопротивления качению;

f - коэффициент сопротивления качению.

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

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

Покрытия Значения f

Цементобетонное и асфальтобетонное . . . . . . . . . . . .0,01-0,02

Щебеночное, обработанное вяжущим материалом . . . . . .0,02-0,025 Щебеночное, не обработанное вяжущими материа­лами . . 0,03-0,04

Ровная сухая грунтовая дорога . . . . . . . . . . . . . . . 0,03—0,06

При скоростях более 50 км/ч коэффициент со­противления качению определяют:

f_v = f [1 +0,01(V - 50)], (2.8)

где V - скорость, км/ч;

f - коэффициент сопротивления качению при скоростях до 50 км/ч.

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

Т_max = G_сц , (2.9)

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

Коэффициент сцепления - это отношениемаксимального значения силы тяги на ободе колеса к сцепному весу автомобиля.

Различают следующие значения коэффициентов сцепления (рис. 2.2): - при движении в плоскости качения без скольжения и буксования; ₁ - при движении в плоскости качения при скольже­нии и буксовании

(коэффициент продольного сцепления);

₂ - при боковом заносе (коэффициент поперечного сцепления).

Между этими коэффициентами сцепления име­ются следующие зависимости: R = G; R² = Р_к² +Y_к² ;

G_к²=G_к²+G_к²;=.

Отсюда (2.10).

Результаты исследования показывают следую­щие количественные зависимости между и:

= (0,7 - 0,8);₂= (0,85 - 0,9)или₂ = (0,6 -0,7).

Значение зависит от типа и состояния покры­тия (табл. 2.1), скорости, температуры и других факторов.

Таблица 2.1

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

При торможении колеса автомобиля возникают часто большие касательные усилия (рис. 2.3).

Тормозная сила составляет

Р_кr = G_кr , (2.11)

где G_кг - вес автомобиля, приходящийся на тормозящие ко­леса.

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 покрытием приводит к истиранию и деформации покрытия и истиранию шины.