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

Площадь следа колеса F меняется в пределах 0,250...0,100 м². Для одного и того же автомобиля значение F зависит от нагрузки на колесо:

 

 

где  - вес автомобиля, приходящегося на колесо, Н;

 - давление воздуха в шине, Па.

 

 

 

Рис. 1. Схема сил, действующих на дорожное покрытие:

а – стоящее колесо; б – ведущее колесо; в – ведомое колесо;  – размер пятна контакта колеса с дорожным покрытием; ,  - соответственно средний и максимальный прогиб дорожного полотна;  - вес автомобиля;  - сила реакции; - вес автомобиля, приходящийся на колесо;  - вращающий момент; Т - сила трения; - расстояние от центра колеса до поверхности дорожного покрытия; - радиус колеса;  - расстояние от мгновенного центра скоростей О до линии действия силы реакции ; - окружная сила;  - скорость движения автомобиля

 

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

Различают площадь отпечатка колеса по контуру в форме эллипса (рис. 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  условно принимают площадь отпечатка в виде круга диаметром , м, равновеликую площади эллипса:

 

 

В большинстве автомобилей имеются ведущие и ведомые колеса. К ведущим колесам подается вращающий момент , Нм, от двигателя автомобиля:

 

 

где - вращающий момент на коленчатом валу двигателя, Нм;

 - передаточное число коробки передач;

- передаточное число главной передачи;

 - коэффициент полезного действия главной передачи (трансмиссии).

 

Действие вращающего момента  вызывает появление в зоне контакта окружной силы , направленной в сторону, обратную движению (рис. 1, б). Сила  вызывает горизонтальную силу реакции Т, представляющую собой силу трения в плоскости контакта колеса с дорожным покрытием, при этом  = .

При действии вертикальной силы возникает сила реакции , которая смещается вперед на расстоянии  по ходу движения автомобиля. Значение - составляет для грузовых автомобилей - , для легковых - , где  - общий вес автомобиля, Н.

На ведомое колесо (рис. 1, в) действует сила тяги. Горизонтальная реакция = направлена в сторону, противоположную движению. Вертикальная сила реакции  так же, как и в случае ведущего колеса, смещена по ходу движения.

Вращающий момент  может быть определен также с учетом окружной силы , Н, и радиуса качения пневматического колеса , м:

 

при этом

 

где λ - коэффициент уменьшения радиуса колеса в зависимости от жесткости шин, λ = 0,93...0,96;

 - радиус недеформированного колеса, м.

 

В точке 0 (мгновенном центре скоростей) приложена сила трения (сцепления) колеса с поверхностью дороги. Можно записать:

 

 

где  - расстояние от мгновенного центра скоростей до точки приложения силы реакции . Откуда:

 

 

Поскольку

 

Обозначим

 

Тогда:

 

Для ведомого колеса можно записать:

 

 

Отсюда:

 

где  - сила сопротивления качению, Н;

 – коэффициент сопротивления качению.

 

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:

 

Тип дорожного покрытия
Цементобетонное и асфальтобетонное	0,01…0,02
Щебеночное, обработанное вяжущим материалом	0,02…0,025
Щебеночное, не обработанное вяжущим материалом	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:

 

 

где  - скорость движения автомобиля, км/ч;

 – коэффициент сопротивления качению при скорости движения до 50 км/ч.

 

Движение автомобиля возможно при условии:

 

Сила трения достигает наибольшего значения, когда:

 

 

где  - нагрузка на ведущее колесо (сцепной вес), Н;

 - коэффициент сцепления.

 

Коэффициент сцепления

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

Различают следующие значения коэффициентов сцепления (рис. 2): φ - при движении в плоскости качения без скольжения и буксования; φ₁ - при движении в плоскости качения при скольжении и буксовании (коэффициент продольного сцепления); φ₂ - при боковом заносе (коэффициент поперечного сцепления).

 

 

Рис. 2. Силы, действующие на дорожное покрытие на криволинейных участках:  - окружная сила (сила тяги);  - поперечная сила;

 - сила реакции

 

Между этими коэффициентами сцепления имеются следующие зависимости:

 

 

где  - поперечная сила.

 

Отсюда:

 

По результатам исследований

Значение  зависит от типа и состояния дорожного покрытия, скорости движения, температуры окружающей среды и других факторов (табл.1).

 

Таблица 1

Зависимость значения коэффициента сцепления от различных факторов

 

Состояние дорожного покрытия	Условия движения	Коэффициент сцепления φ (при 60 км/ч)
Сухое, чистое	Особо благоприятные	0,7
Сухое, чистое	Нормальные	0,5
Влажное, грязное	Неблагоприятные	0,3
Обледенелое	Особо неблагоприятные	0,1...0,2

 

При торможении колеса автомобиля часто возникают большие касательные усилия (рис.3).

 

Рис.3. Силы, действующие на дорожное покрытие при торможении:

 - вес автомобиля, приходящийся на тормозящие колеса;

 - тормозящий момент;  - сила торможения;  - скорость автомобиля

 

Сила торможения определяется по формуле:

 

 

где  – 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.

Коэффициент сцепления является критерием скользкости дорожного покрытия.

 

Варианты заданий

 

Исходные данные приведены в табл. 2.

Таблица 2

Параметры и варианты задач для решения

Параметры	Вариант
	1	2	3	4	5	6
Скорость автомобиля, м/с	20	25	30	35	10	40
Вес автомобиля, кг	2900	1000	1800	1200	3200	1600
Автомобиль	Груз.	Легк.	Легк.	Легк.	Груз.	Легк.
Шина ВхD, мм	280х480	130х260	150х280	120х250	300х500	160х300
Категория дороги	II	III	IV	II	V	I
Покрытие	Цементо -бетон	Щебень, обраб. вяж. матер	Щебень, необраб. вяж. матер	Цементо -бетон	Сухая грунтовая дорога	Цементо бетон

 

Задание:

1. Привести схему сил, действующих от колеса автомобиля на дорожное покрытие.

2. Выполнить расчет, сил действующих от колеса автомобиля на дорожное покрытие.

Вывод: выводы по работе должны содержать качественную и количественную характеристику динамических касательных сил возникающих при движении автомобиля в зоне контакта шин колеса с дорожным покрытием.

 

Контрольные вопросы для самостоятельной подготовки:

1. Какие силы действуют на дорожное покрытие от стоящего колеса, ведущего колеса, ведомого колеса автомобиля?

2. Какие силы действуют от колеса на дорожное покрытие при торможении?

3. Какие силы действуют от колеса на дорожное покрытие на криволинейных участках?

4. Какова сущность коэффициентов продольного и поперечного сцепления?

 

Оформление и защита отчета

Порядок оформления:

1. цель работы;

2. схема сил, действующих на дорожное покрытие;

3. количественная характеристика динамических касательных сил возникающих при движении автомобиля в зоне контакта шин колеса с дорожным покрытием;

4. результаты расчетов;

5. выводы.

Защита практической работы производится при полностью оформленном отчете.

 

Практическая работа №2