Загальні відомості. При русі автомобільного колеса по опорній поверхні відбувається втрата підведеної до колеса енергії

При русі автомобільного колеса по опорній поверхні відбувається втрата підведеної до колеса енергії. Енергія затрачається на гістерезисні втрати і тертя в шині, на гістерезисні втрати в матеріалі опорної поверхні і на її пластичну деформацію.

Ці втрати умовно характеризуються загальним коефіцієнтом - коефіцієнтом опору коченню f.

Таким чином, опір коченню колеса, головним чином, обумовлюється втратами енергії на внутрішнє тертя в шині, яка деформується, і полотнині дороги, на тертя в контакті шини з опорною поверхнею, на подолання можливого присмоктування шини до опорної поверхні, а також на подолання опору підшипників ступіци колеса його обертанню.

При коченні колеса під дією штовхаючої сили Р (рисунок 3.1) внутрішнє тертя в шині і дорозі, так само як і тертя між ними, перешкоджає наростанню деформації в передній зоні поверхні контакту шини з дорогий і зменшенню її в задній зоні. У результаті епюра нормальних тисків, симетрична у випадку нерухомого колеса, при коченні змінюється, збільшуючись перед і зменшуючись позаду.

Рисунок 3.1 - Епюра нормальних реакцій у контакті шини з твердою горизонтальною опорною поверхнею при коченні колеса

Рівнодіюча цих реакцій R_Z, перпендикулярна до напрямку руху V, рівна силі тиску колеса G_K на опорну поверхню, при коченні колеса зрушується убік руху на деяку відстань а.

Реакція R_Z створює щодо центру колеса момент опору коченню M_f:

, (3.1)

У випадку рівномірного руху цей момент врівноважується моментом, створюваним штовхаючим зусиллям Р на плечі, рівному динамічному радіусу колеса r_д

, (3.2)

Звідси

, (3.3)

Внаслідок тертя між шиною і дорогою в елементах поверхні їх контакту виникають дотичні реакції, що діють убік протилежну напрямку штовхаючої сили Р на твердій дорозі ці реакції рівнобіжні напрямку руху і дають рівнодіючу R_Х, що при рівномірному русі дорівнює силі опору коченню P_fк

Розмір називається коефіцієнтом опору коченню колеса.

Приймаючи в увагу, що вираження (3.3) можна записати у виді (3.4). І тоді коефіцієнт опору коченню f визначається як відношення сили опору коченню P_f до нормального навантаження G_K, що приходить на колесо:

, (3.5)

або для автомобіля:

, (3.6)

де: P_f - сила опору коченню всіх коліс автомобіля, Н;

G_а - нормальне навантаження від маси автомобіля (G_а = т_а g), Н.

Коефіцієнт опору коченню f, обумовлений експериментально, в основному залежить від матеріалу і конструкції шин, тиски в них повітря, твердості і стана дороги, опорів у підшипниках коліс і підвіску, режиму руху автомобіля.

Застосування матеріалів із малим внутрішнім тертям, зменшення жорсткості кордової тканини і числа її шарів, полегшення протектора й інші конструктивні заходи значно знижують гістерезисні втрати в шинах.

Вплив тиску повітря в шинах залежить від твердості опорної поверхні. На твердому покритті при зниженні тиски повітря збільшується деформація шин, а, отже, і коефіцієнт опору коченню. У випадку м'якої поверхні при зниженні тиску повітря зменшується глибина колін, тобто залишкова деформація грунту, у результаті чого опір коченню стає менше. Зайве зниження тиску повітря може привести до збільшення опору коченню, якщо зменшення деформації опорної поверхні не компенсує підвищення гістерезису в шинах.

Таким чином, для даних шин у залежності від твердості і стани грунту існують оптимальні тиски повітря, при яких загальний опір коченню мінімально.

У випадку руху по нерівній опорній поверхні коефіцієнт f стає більше внаслідок збільшення втрат в елементах підвіски й амортизаторах. Коефіцієнт f зростає також при збільшенні висоти грунтозацепів шин і зменшується зі збільшенням діаметра колеса на нерівних і м'яких поверхнях. Зі збільшенням вологості м'якого грунту опір коченню зростає, тому що колія стає глибше (за винятком піску).

При русі шини, основний вплив на коефіцієнт f робить швидкість руху, а також діючі на колеса вертикальне навантаження і бічна сила. Це пояснюється тим, що збільшенню деформацій у передній зоні поверхні контакту і їх зменшення в задній зоні перешкоджає не тільки внутрішнє тертя, але й інерція протектора й інших масивних елементів шин. У результаті з ростом швидкості додатково підвищується тиск у передній зоні поверхні контакту і знижується позаду. Це приводить до збільшення зрушення нормальної реакції вперед, а, отже, і до підвищення коефіцієнта опору коченню.

Пружне відновлення деформованої частини шини може затримуватися і після її виходу з зіткнення з дорогий, унаслідок чого виникають хвилеподібні коливання, амплітуда і частота яких зростає зі збільшенням швидкості руху. При цьому втрата енергії в шині і коефіцієнт f підвищуються, тому що відбувається інтенсивне розсіювання енергії в елементах шини, що виходять із контакту з опорною поверхнею.

Збільшення внутрішнього тертя в шині, обумовлене більш швидким навантаженням, також сприяє росту опору коченню при підвищенні швидкості.

Вплив швидкості на опір коченню по м'яких поверхнях залежить від їх фізико-механічних властивостей, зокрема від зміни деформації у функції швидкість нагружения.

Зі збільшенням навантаження на колесо коефіцієнт f зростає, тому що збільшуються деформації шини і дороги. Однак якщо підвищення навантаження припустимо для даної шини і супроводжується відповідним збільшенням тиску повітря, то впливом цього чинника можна зневажити.

У випадку дії бічної сили, що виникає при повороті, поперечному ухилі дороги або бічному вітрі, а також коченні колеса, нахиленого до дороги, коефіцієнт f значно збільшується внаслідок додаткових бічних деформацій шин.

Режим руху, вологість дороги і температура навколишнього повітря відбиваються на тепловому стані шин. Зі збільшенням нагрівання шини внутрішнє тертя в її матеріалі, а, отже, і опір коченню знижуються. При температурі 70÷ 80С⁰ коефіцієнт f менше, ніж у холодних шин приблизно на 12-15%.

На м'яких поверхнях опір коченню аркових, широкопрофільних і інших спеціальних шин значно менше, ніж звичайних, тоді як на твердих дорогах при відповідному підвищенні тиску повітря воно практично однаково або декілька більше.

Іншим важливим чинником, що визначає характер кочення колеса, служить коефіцієнт зчеплення шини з дорогий.

Умовно розрізняють коефіцієнт зчеплення в подовжньому напрямку φ _х, що характеризує дотична взаємодія колеса з дорогий і коефіцієнт зчеплення в поперечному напрямку φ _у, що оцінює спроможність колеса протистояти дії бічних сил.

Коефіцієнтом зчеплення колеса з опорною поверхнею в подовжньому напрямку φ _х називається відношення максимальної дотичної реакції R_{х max ,} при якій почалося прослизання колеса, до відповідної нормальної реакції R_Z (рисунок 3.2).

, (3.7)

Рисунок 3.2 - Дотична взаємодія колеса з опорною поверхнею (не деформує покриття)

Дотична взаємодія обумовлюється тертям між шиною й опорною поверхнею, опором зрушенню опорної поверхні, глибиною занурення колеса в опорну поверхню.

На твердій дорозі основне значення має поверхневе тертя, а на деформуючій дорозі - опір зрушенню і занурення колеса.

Коефіцієнт зчеплення, обумовлений експериментально, залежить від властивостей і стани шини і дороги, а також від режиму руху колеса.

Коефіцієнт зчеплення φ _х являє собою відношення максимальної дотичної реакції дороги на колесо R_{х max} до її нормальної реакції R_Z.

Зчеплення еластичного колеса з твердою опорною поверхнею розглядається з позиції теорії зовнішнього тертя гуми як матеріалу бігової доріжки шин. Відповідно до цієї теорії, в основі якої лежить взаємодія з дорожнім покриттям рухливих молекулярних ланцюгів гуми, тертя спокою між шиною і дорогою відсутніх. Обов'язковою умовою передачі еластичним колесом дотичного зусилля, що котиться, служить відносне ковзання контактуючих поверхонь, тому ріст сили і коефіцієнта зчеплення починаються тільки з появою швидкості цього ковзання. Сила зчеплення колеса з дорогою обумовлена механічною взаємодією еластичного матеріалу з мікрошероховатостями покриття, молекулярною взаємодією гуми і матеріалу дорожнього покриття і гістерезисними втратами на деформацію шини.

Як показують досвіди, у міру збільшення швидкості ковзання сила тертя спочатку зростає і досягає максимального значення при порівняно малій швидкості щодо ковзання. Надалі вона з ростом швидкості ковзання на більшості дорожніх покриттів зменшується.

Швидкість руху, напрямок і інтенсивність ковзання, а також навантажувальні, температурні й інші умови, що характеризують режим руху колеса, у тієї або іншій мірі відбиваються на його зчепленні з опорною поверхнею.

Як максимальне значення коефіцієнт зчеплення, так і його мінімальне значення істотно залежать від стана дорожнього покриття і помітно знижуються зі збільшенням швидкості руху автомобіля. Особливо значно зчеплення знижується на мокрій дорозі, якщо рідинна плівка в контакті шини не устигає видавлюватися.

Вплив шини й опорної поверхні на розмір φ _х залежить також від площі їх контакту. При зменшенні питомого тиску в контакті, обумовленому збільшенням його площі, коефіцієнт зчеплення звичайно підвищується. Тому зниження тиску повітря в шині, а також збільшення ширини її профілю і діаметра приводить до підвищення зчеплення. Лише на брудній, сильно зволоженій поверхні зменшення питомого тиску, дозволеного рідинній плівці зберегтися в контакті, може дати зворотні результати.

Значення має і рисунок протектора. На твердих, гладких дорогах краще зчеплення забезпечує дрібний, розчленований рисунок, а на м'яких - високі грунтозацепы, особливо розташовані у виді косої ялинки. Такий протектор добре самоочищується, що підвищує зчеплення в цих умовах.

На твердих покриттях із великими нерівностями або при високому рисунку протектора періодично порушується нормальний контакт шини з опорною поверхнею, що відповідно відбивається і на зчепленні між ними.

В міру зменшення внутрішнього зв'язку між частками грунту опору зрушенню, а отже, і зчеплення знижується. Зв'язок між частками вологого однорідного піску більше, ніж сухого, і тому зчеплення в цьому випадку може виявитися вище.

Процеси, що відбуваються між шинами й опорною поверхнею при ковзанні колеса тому, вперед або вбік, не однакові, що відбивається на їх зчепленні. Так, зчеплення з асфальтом при буксуванні декілька більше, ніж при ковзанні і вперед, і менше, ніж у випадку бічного ковзання.

Різноманіття чинників, що впливають на розміри коефіцієнтів взаємодії автомобіля з дорогий, не дає можливості їх аналітичного визначення, тому для цієї цілі застосовують різні експериментальні методи. Найбільше точно ці коефіцієнти можуть бути визначені шляхом випробувань на стенді або за допомогою одноколісного динамометричного візка, а також при проведенні дорожніх випробувань.