Автомобиля и сопротивления качению

На дорогу от колес автомобиля передаются статические нагрузки при остановке автомобилей и кратковременные или динамические при движении. При статическом загружении (остановка автомобиля) колесо передает на покрытие нагрузку Q (рис. 3.1,а). Нормальная реакция дороги R = Q приложена в центре следа колеса.

В этом случае взаимодействие автомобиля с дорогой можно характеризовать колесной нагрузкой Q, площадью отпечатка пневматического колеса S, средним контактным давлением p = Q/S.

Различают площадь отпечатка колеса по контуру в форме эллипса и по выступам протектора. Для упрощения в расчетах принимают не эллиптическую площадь отпечатка, а круглую, с приведенным по площади отпечатка диаметром .

Эти две основные характеристики p и D или их произведение pD определяют взаимодействие автомобилей с дорогой.

Под действием вертикальной нагрузки шина колеса деформируется, при этом величина сжатия U пропорциональна колесной нагрузке:

где - коэффициент, учитывающий упругость пневматика шины колеса.

Чем выше U, тем больше площадь отпечатка и меньше удельное давление.

34

Рис. 3.1. Схема сил, передаваемых на покрытие от колес:

а – неподвижного; б – ведущего; в – ведомого; р – удельное давление на покрытие от колеса автомобиля; р_max – максимальное удельное давление на покрытие от колеса автомобиля; и – сжатие автомобильной шины; l – прогиб дорожной одежды под колесом автомобиля; е – смещение точки приложения реакции R; D – условный диаметр круга отпечатка, заменяющего эллипс в зоне контакта шины с покрытием; Р_к – сила тяги на ободе колеса автомобиля; Т – сила трения;

Р – сила сопротивления качению.

При движении ведущего колеса на него кроме нагрузки Q и нормальной реакции R, действует крутящий момент М_к, вызывающий в плоскости следа окружную силу (силу тяги) Р_к, направленную в сторону, обратную движению:

где r_к - радиус качения шины колеса.

Сила Р_к вызывает горизонтальную реакцию Т = Р_к, вследствие чего происходит движение (рис. 3.1,б). Это реактивная сила, или сила трения.

Сопротивление качению. На горизонтальном участке основная часть силы тяги расходуется на преодоление сил сопротивления качению Р, которые оцениваются затратой энергии на деформирование l дорожной конструкции и сжатие шины колеса U.

Показателем сопротивления качению считается коэффициент сопротивления качению . Эту величину можно определить следующим образом (рис. 3.1,в).

Ввиду того, что шина автомобиля обладает эластичностью, точка приложения нормальной реакции R смещена вперед по ходу движения. Это смещение характеризует сопротивление качению.

35

Коэффициент сопротивления качению может быть вычислен по формуле:

,

где l - смещение точки приложения нормальной реакции.

Величина f зависит от колесной нагрузки Q, давления воздуха в шинах р_в, размеров колес и эластичности шины, скорости движения, прочности одежды, ровности покрытий и является важной характеристикой взаимодействия автомобиля с дорогой.

При низких скоростях движения величина f почти не меняется и для скоростей до 20 км/ч ее можно принять постоянной.

Дальнейшее увеличение скорости вызывает повышение коэффициента f, так как шина в зоне контакта с покрытием не успевает полностью распрямиться и колесу возвращается меньшая доля энергии, затраченной на деформирование шины.

Кроме того, при увеличении скорости деформации возрастает внутреннее трение в шине. Значения коэффициента сопротивление качению для любой скорости может быть определено по формуле:

,

где f₂₀ - коэффициент сопротивления качению при скорости 20 км/ч;

K_f - коэффициент повышения сопротивления качению, зависящий от скорости движения автомобиля. Для легковых автомобилей K_f = 0,00025, для грузовых K_f = 0,0002; v – скорость, для которой определяют коэффициент сопротивления качению, км/час.

Тип покрытия, его прочность, ровность и шероховатость, наличие разрушений, трещин, влаги, пыли и грязи, снега и гололеда существенно влияют на коэффициент сопротивления качению колеса автомобиля и коэффициент сцепления его с покрытием. На малопрочной одежде сопротивление качению возрастает за счет деформирования поверхности качения.

Поверхность покрытия всегда имеет неровности, которые оказывают большое влияние на условия движения автомобилей и водителей и, как следствие, на скорость движения.

Одна из причин снижения скорости - рост сопротивления качению, которое может возрастать на неровных покрытиях в 2-3 раза. Увеличение шероховатости покрытия приводит к росту коэффициента сопротивления качению в среднем на 4 % на 1 мм высоты неровностей шероховатости на асфальтобетонных покрытиях и на 13 % - на цементобетонных.

По данным А.К. Бируля коэффициент сопротивления качению при движении автомобиля по неровной поверхности

,

36

где S_c - показатель ровности по толчкомеру, см/км; v - средняя скорость автомобиля, км/ч.

Наличие воды на покрытии приводит к увеличению сопротивления качению примерно на 5 % на каждый миллиметр ее толщины:

где f₀ - коэффициент сопротивления качению сухого покрытия; h_в - толщина слоя воды и грязи на покрытии, мм.

Несмотря на большое влияние сопротивления качению на режим движения автомобиля, расход топлива, себестоимость перевозок и даже на назначение продольного уклона дороги, в руководящих документах до сих пор не разработаны требования к допустимому размеру коэффициента сопротивления качению для покрытий.