Сопротивление качению колеса

Сопротивление качению автомобильного колеса зависит от свойств материалов и конструкции шины, шероховатости дороги, глубины образуемой колесом колеи и др.

Если качение колеса происходит под действием силы, приложенной к его оси, оно называется в е д о м ы м. Если колесо катится под действием подведенного к нему крутящего момента, то оно называется в е д у щ и м.

На рис. 22 показаны силы, действующие на ведомое колесо, катящееся по твердой дороге. Деформацией дороги можно пренебречь. Толкающая сила, заставляющая колесо катиться, обозначена Р и приложена к оси колеса. Нормальная реакция со стороны дороги – N = G_к смещена относительно оси колеса перед на величину "с" и образует момент сопротивления качению колеса ¦×N Этот момент уравнивается моментом от силы Р на плече R_d:

N × с = P × R_d .

Откуда необходимая для качения колеса сила P = N×с/R_d . Отношение с/R_d называемое коэффициентом трения второго рода, в теории автомобиля его принято называть коэффициентом сопротивления качению колеса.

Рис. 22. Силы, действующие на

ведомое колесо автомобиля

На рис. 23 показаны силы и момент, действующие на ведущее колесо автомобиля, рановесие которого можно описать следующим уравнением:

M_к = N×с + E×R_d .

Тяговая сила Е из этого уравнения может быть выражена

E = M_к/R_d – N_с/R_d = M_к/R_d – Nצ , (3)

где M_к/R_d – окружная сила, действующая на колесо в зоне его контакта с дорогой; ¦ – коэффициентом сопротивления качению колеса.

Величина коэффициента сопротивления зависит от скорости автомобиля, типа протектора и числа слоев нитей корда, радиуса колеса, температуры шины, давлния воздуха в шине, и др.

Рис. 23. Силы и момент, действую-

щие на ведущее колесо автомобиля

Снижение давления воздуха при движении по сухому асфальту ведет к увеличению коэффициента сопротивления. На мягком грунте, сухом песке, заснеженной поверхности, где при качении колеса образуется колея, снижение давления воздуха наоборот ведет к уменьшению сопротивления качения колеса, т.к. при снижение давления воздуха площадь контата колеса с опорной поверхностью увеличивается, колесо менее тонет, глубина образуемой колеи уменьшается, затраты мощности на образование колеи снижаются.

Летом в жару шина сильно нагреваться и становится мягче, затраты мощности на её деформацию в зоне контакта с дорогой уменьшаются, что можно выразить уменьшением коэффициента сопротивления качению. Так при увеличении температуры шины с 30 до 70⁰С коэффициент сопротивления качению колеса уменьшается на 25-30 %.

Сопротивление качению колеса с бóльшим радиусом меньше, чем колеса с меньшим радиусом. Это объясняется тем, что имеющиеся на дороге неровности оказыают меньшее влияние на то колесо, которое больше. Поэтому на автомобили высокой проходимости, например, на джипах ставят колеса большого диаметра.

Шины, протектор которых состоит из редких крупных грунтозацепов, имеют более высокое сопротивление качению, чем дорожные шины с плотно расположенными шашками на беговой части. Сопротивление качению изношенных шин, протетор на которых отсутствует, на 15 % меньше, чем новых.

Шины с шестью слоями нитей кодра при скорости 50 км/ч имеют сопротивление на 7 % больше, чем шины с четырьмя слоями нитей корда. При скорости 100 км/ч эта разница составляет только 4 %.

Сопротивление качению ведущего колеса несколько больше, чем ведомого, т.к. ведущее колесо деформируется ещё в окружном направлении. Однако в практических расчетах сопротивления качению ведомого и ведущего колес принимаются одинаковыми.

По условиям создания шин требуется, чтобы коэффициент сопротивления качению колеса при увеличении скорости с 20 км/ч до 100 км/ч возрастал не более, чем на 70 %.

Численные значения коэффициентов сопротивления качению f для различных типов дорог при скорости движения 10...15 км/ч приведены в табл. 2.

Таблица 2

С увеличением скорости коэффициент сопротивления качению существенно увеличивается. С достаточной для практических расчетов точностью он может определен по следующей эмпирической зависимости:

¦ = ¦_о , (4)

где ¦_о – коэффициент сопротивления качению колеса при скорости 10...12 км/ч; V – скорость автомобиля, км/ч.

Коэффициенты сопротивления определяются экспериментально с помощью динамометрической тележке, которую тянет автомобиль.

Сцепление колеса с опорной поверхностью

Другим важнейшим показателем работы автомобильного колеса является его сцепление с опорной поверхностью, т.е. та максимальная сила трения, оторая может быть в плоскости контакта колеса с опорной поверхностью при увеличении подводимого крутящего момента до возникновения буксования или скольжения при торможении. Чем больше эта сила, тем быстрее может разгоняться или тормозиться автомобиль, а также увеличивается безопасность движения. Поэтому конструкторы шин всегда стремятся повысить их сцепные свойства. Коэффициент сцепления зависит от типа шины. Ниже рассматриваются свойства некоторых шин, обладающих высокими сцепными свойствами.

Сила сцепления может быть определена как

Р_сц = N×j ,

где N – нормальная реакция на колесо со стороны дороги; j – коэффициент сцепления. В табл. 3 приводятся значения коэффициентов сцепления колеса и различных дорог.

Таблица 3

Коэффициент сцепления не остается постоянным при появлении проскальзывания шины по дороге (рис. 24). Наибольшее значение он достигает при проскальзывании s = 20...30 % от пройденного пути:

s = %,

где V_окр – окружная скорость колеса; V_а - скорость автомобиля.

На мокрых покрытиях независимо от степени ше­роховатости их поверхности рост скорости движения при­водит к снижению коэффи­циента сцепления. Величина снижения коэффи­циента сцепления изменяется в прямой зависимости от вы­соты неровностей макроше­роховатости. На мелкоше­роховатых покрытиях при скорости движения до 10 -20 км/ч вода из зоны кон­такта выходит и шина вступает в непосредственное взаимодействие с дорожным покрытием. Хотя мате­риал покрытия и насыщен водой, что препятствует воз­никновению адгезионных связей, коэффициент сцепле­ния прибли­жается к его значениям на сухом покрытии. Повышение скорости приводит к появле­нию гидро­динамического давления в пленке воды под колесом, за­трудняющего ее удаление. Прогнувшаяся в обратную сторону в зоне контакта с дорогой шина, удерживает под колесом грязь и воду, особенно, если шина изношена. Скольжение колеса по такой подушке называется аквапланированием. Чем выше скорость, тем больше гидродинамическое давление в зоне контаета колеса с дорогой. При аквапланировании коэффициент сцепления уменьшается до 0,05-0,15. Экспериментально установлено, что сцепление шины с мокрым покрытием остается достаточным до скорости 120 км/ч при толщине слоя воды до 1 мм и до 80 км при толщине слоя до 2 мм. Так, если при скорости 64 км/ч коэффициент сцепления на влажной поверхности равен 0,4, то при скорости 120 км/ч – только 0,25. Зависимость коэф­фициента сцепления от скорости при различной глубине протектора показана на рис. 25.

Рис. 24. Зависимость коэффициента Рис. 25. Зависимость коэф­фициента

сцепления φ от величины скольжения сцепления от скоро­сти при различной

в %: степени из­носа рисунка протектора 1 -сухая поверхность; 2 – влажная при движении по дороге, покрытой

поверхность слоем воды 2,5мм:

1- 6 — кривые соответственно для глубин

рисунка протектора 8, 6, 4, 2, 1 мм.

На сухих асфальто- и цементобетонных покрытиях с мелко­шероховатой поверх­ностью увеличение ско­рости приводит к росту коэффициента сцепления. Так, на цементобетонном покрытии с высотой неровностей макрошероховатости 0,46 мм коэффициент сцепления возрастает на 12% при увеличении скорости движения с 30 до 70 км/ч. Влияние нагруз­ки на колесо, давления воздуха в шине, рисунка протектора сказывается на степени увеличения коэффициента сцепления. Например, для шины 6,45–13 с гладким протектором при нагрузке на колесо 3,8 кН и давлении воздуха в шине 205 кПа для указанного диапазона скоростей коэффициент сцепления возрастает на 23%, а для шины с рисунком протектора при тех же условиях – всего на 2,7%. Однако качественный характер связи коэффициента сцепления со скоростью остается неизменным.

На сухих крупношероховатых покрытиях увеличение коэффициента сцеппления с ростом скорости не наблюдается. Наоборот, коэффициент сцепления несколько сни­жается. На асфаль­тобетонном покрытии с вы­сотой неровностей макро­шероховатости 3 – 3,5 мм при увеличении скорости от 40 до 80 км/ч это снижение составляет в среднем – 2,5 %.

На мягких и влажных дорогах коэффициент сцепления может быть ущественно увеличен за счет высоких и редких грунтозацепов на беговой части шины. В этих условиях снижение давления воздуха в шине и увеличение опорной поверхности колеса за счет большей деформации шины ведет к росту коэффициента сцепления и снижению коэффициента сопротивления.

На твердых дорогах, покрытых слоем воды или грязи, высокое давление воздуха в шинах наоборот способствует увеличению коэффициента сцепления, т.к. приводит к выдавливанию воды и грязи из зоны контакта колеса с дорогой. В противном случае под колесом образуется водяная или грязевая подушка, снижающая сцепные качества.

Если на колесо действует поперечная сила, возможная максимальная продольная сила снижается, но общая сила сцепления сохраняется. Взаимозависимость этих сил можно выразить следующим образом:

G_к ×j = , (5)

где G_к – сила веса автомобиля, приходящаяся на колесо; j – коэффициент сцепления; P_пр – продольная сила; P_п – поперечная сила.

Силы, действующие на автомобиль

Действующие на автомобиль силы можно разделены на следующие три группы:

1. Силы тяжести или вес автомобиля и его частей.

2. Силы сопротивления движению.

3. Силы, движущие автомобиль.

Сила тяжести (размерность в системе СИ – ньютоны) является движущей на спуске и силой сопротивления на подъеме. Препятствующие разгону автомобиля инерционные силы являются результатом влияния его массы.

Сила тяжести автомобиля складывается из сила тяжести снаряженного автомобиля и сила тяжести перевозимого груза. Сумма этих сил называется полной сила тяжести автомобиля.

Отношение максимальной допустимой массы груза к собственной массе автомобиля называется коэффициентом использования массы автомобиля (он же – коэффициент грузоподъемности). Численные значения коэффициента использования массы для грузовых автомобилей средней и большой грузоподъемности находится обычно в пределах от 1,1 до 1,3, иногда – 1,4. Для грузовых малотоннажных автомобилей, например, автомобилей УАЗ, фургонов на базе легковых автомобилей эти коэффициенты существенно меньше и составляют величину 0,45...0,7. Отношение массы пассажиров, водителя и допустимой массы багажа в легковых автомобилях и их собственным массам еще ниже и равняется около 0,2 – для автомобилей высшего класса, и 0,4 – для автомобилей малого класса типа ВАЗ.

Коэффициент использования массы грузовых автомобилей имеет тенденцию к росту по мере расширения использования высокопрочных и легких материалов, например, легированных сталей, пластмасс, алюминиевых сплавов, а также более точных расчетов и тщательной исследовательской доводки конструкции деталей и агрегатов автомобиля.

Масса автомобиля распределяется между передним и задним мостами строго в соответствии с количеством колес на этих мостах. Не допускается перегрузка шины даже на 10 % в соответствии с установленными нормами, т.к. перегрузка ведет к резкому снижению срока службы шины. Допустимую нагрузку на колеса от веса автомобиля (рис. 26) можно установить путем смещения центра тяжести автомобиля по его длине, для чего при проектировании кузов грузового автомобиля смещается ближе к тому мосту, который недогружен. На легковом автомобиле для получения нужной нагрузки на колеса смещаются прежде всего двигатель и багажник.

Рис. 26. Нагрузки, приходящиеся на колеса автомобиля

Ниже приведены отношения масс автомобилей, приходящихся на задние мосты к массам, приходящимся на передние мосты:

– автомобили полностью груженые легковые – 0,75...1,2, грузовые – 2,3...3,0;

– автомобили порожние легкоые – 0,7...1,1, грузовые – 1,0...1,2.

На переднеприводных легковых автомобилях передние колеса нагружены обычно больше, чем задние. Так делается с целью обеспечения высокой силы тяги ведущих колес при движения автомобиля на подъеме, где передние колеса разгружаются и поэтому могут буксовать, не создавая нужной силы тяги. Движение автомобиля становится невозможно.

Чтобы дорога быстро не разрушалась, нагрузка от колес оси не должна превышать допустимую. Автомобильные дороги в России делятся на 5 категорий. Лучшими являются дороги I и II категорий. Это дороги с несколькими полосами движения в каждом направлении, по ним допускается движения всех колесных транспортных средств с осевой нагруз­кой, не превышающей 10 т.

Дороги III категории рассчитаны на менее интен­сивное движение, имеют облегченное усовершенствован­ное покрытие. Большинство дорог в России III и IV категорий – двухполосные, имеющие по одной полосе движения в одну и другую сторону. На этих дорогах допускается движение транспортных средств с осевой нагрузкой также до 10 т.

К IV категории также относятся дороги с твердым покрытием, но оно может быть неусовершенствованным (булыжник, гравий). На таких дорогах разрешается движение транспортных средств с осевой нагрузкой не более 6 т. При проектировании грузовых автомобилей на российских автозаводах за допустимую осевую нагрузку принимается 6 т.

К V категории относятся профилированные дороги, не имеющие твердого покрытия. Иногда их поверхность обрабаты­вают специальными добавками, связывающими грунт и несколько повышающими стойкость верхнего слоя. В осеннюю и весеннюю распутицу, а также в период снежных заносов они обычно становятся непроезжими, но с наступлением морозов и до сильных снегопадов, а также летом в сухое время грун­товые дороги обладают удовлетворительными качествами.

По условиям эксплатации автомобили делятся на две группы: А и Б. Группа А – для эксплуатации на дорогах первой, второй и третьей категорий, группа Б – для эксплуатации на всех видах дорог.

Полная масса автомобиля, автопоезда не должна превышать значения, указанные в табл.

Таблица 4

Допускаеиая полная масса, т

При небольших расстояниях между осями на трех- и четырехосных автомобилях допускаемая нагрузка на ось уменьшается. Так, осевая нагрузка 10 т для автомобилей группы А допускается, если расстояние между осями 2,5 м и более. При расстоянии 1,39-2,5 м допускается только 9 т, при расстоянии 1,25-1,39 м – 8 т, при расстоянии до 1,25 м – 7 т. Для автомобилей группы Б соответственно для этих расстояний допускаеися 6; 5,5; 5; 4,5 т.

В европейских странах допускаемая нагрузка на ось 11,5 т. По международным соглашениям осевую нагрузку рекомендуется увеличить до 13 т.

Положение ц е н т р а т я ж е с т и автомобиля по его длине и высоте можно найти, если составить сумму моментов сил тяжести каждого из агрегатов и узлов автомобиля относительно какой-либо его точки, например, центра пятна контакта колес с дорогой, и приравнять эту сумму моменту от силы тяжести, приложенной в условно выбранном центре тяжести. Из равенства моментов определяется расстояние до центра тяжести. При этом для определения положения центра тяжести по длине автомобиля векторы сил тяжести направляются перпендикулярно к горизонтальной опорной поверхности, на которой стоит автомобиль, а для нахождения положения центра тяжести по высоте автомобиля векторы сил тяжести направляются параллельно опорной поверхности. Положение центра тяжести влияет на целый ряд эксплуатационных показателей автомобиля и потому для вновь создаваемого автомобиля всегда тщательно рассчитывается и проверяется. Экспериментально положение центра тяжести по длине автомобиля можно найти следующим образом. Автомобиль поочередно вьезжает на весы передними и задними колесами. Определяются: G₁– вес автомобиля, приходящийся на передние колеса; G₂ – вес автомобиля, приходящийся на задние колеса. Общий вес автомобиля – G_а = G₁ + G₂ . Нагрузка на опорную поверхность от колес обратно пропорциональна их расстояниям до центра тяжести, что можно выразить как , где L₁ – расстояние от центра тяжести автомобиля до вертикальной оси его передних колес; L₂ – до вертикальной оси задних колес. Решая эти зависимости, получим: L₁= ×L и L₂ = × L , где L - база автомобиля (расстояние между вертикальными осями передних и задних колес автомобиля).

Высоту расположения центра тяжести автомобиля можно найти также путем двух взвешиваний: сначала определяется нагрузка на весы от задних колес автомобиля в его горизонтальном положении, а затем в наклоненном на угол a, как указано на рис. 27. Если составить сумму моментов всех действующих на авто- мобиль сил в наклонном положении, например, относительно точки А, и приравнять ее нулю, можно определить высоту расположения центра тяжести автомобиля.

Рис. 27. Определение положения центра

тяжести по высоте автомобиля

G_а ×L₁× cos a + G_а× h_g× sin a - G_Н ×L× cos a = 0 .

Отсюда:

,

где G₂ – нагрузка на весы от заднего моста в горизонтальном положении автомобиля ; G_Н - нагрузка на весы от заднего моста в наклоненном положении автомобиля

Таблица 5