Коэффициенты сопротивления качению и сцепления как показатели взаимодействия автотранспортных средств с опорной поверхностью.

Колесо преобразует вращательное движение в поступательное и при этом происходят потери мощности. Количественной мерой потерь является коэффициент сопротивления качению f. Физический смысл - он численно равен мощности в ваттах, теряемой при качении колеса, нагруженного силой P_z = 1 Н при скорости V_x = 1 м/c. f=f_с+f_к=а_ш/r_д+(M_K(r_д-r_к))/R_Z∙r_д∙r_к (f_с – силовая составляющая f _, характеризует потери вызванные смещением нормальной реакции; f_к – кинематическая составляющая, характеризует потери связанные с уменьшением радиуса качения при передаче крутящего момента) Причинами потерь мощности - продольный снос нормальной реакции и неравенство динамического и кинематического радиусов колеса. Снос нормальной реакции R_z на величину а_ш при качении эластичного колеса по твердой опорной поверхности вызван тем, что при деформации шины имеют место внутреннее трение в материале шины. Каждый элемент шины при входе в контакт с опорной поверхностью деформируется в радиальном направлении и тем больше, чем он ближе к центру пятна контакта.

В процессе цикла «сжатие-распрямление», в результате потерь энергии на преодоление внутреннего трения, а также из-за трения отдельных элементов шины относительно опорной поверхности, нормальные реакции в набегающей области больше, чем в сбегающей (рис). В результате эпюра нормальных реакций оказывается несимметричной относительно центра О₁, а равнодействующая R_z – смещенной вперед на величину а_ш.

Факторы влияющие на величину на f: - конструктивные параметры шин (материал (натуральные каучуки обладают значительно меньшим внутренним трением), конструкция (чем меньше толщина слоев корда и их число в каркасе шины, тем ниже сопротивление качению) и состояние); - давление воздуха в шине (чем > давление, тем < f); - вертикальная нагрузка на колесо (чем >, тем > потери); - тип и состояние покрытия дороги (на песке и снегу теряется 30% мощности); - режим движения колеса (определяют в ведомом режиме, поэтому f = f_c); -скорость (чем >, тем > f. При номинальном давлении быстрый рост коэффициента f начинается при скорости 20-25 м/с, из-за волнообразных колебаний беговой дорожки протектора шины). С увеличением толщины протектора коэффициент f увеличивается, особенно у шин диагональной конструкции. В связи с этим по мере износа шин сопротивление качению падает. При полностью изношенном протекторе сопротивление качению может уменьшаться на 20 – 25% по сравнению с неизношенным. У шин с рисунком протектора "повышенной проходимости" коэффициент f на 25 – 30% больше, чем у шин с "дорожным" рисунком протектора (однако у них толщина протектора в 2 раза меньше). Коэффициент f снижается при снижении Н / B. Увеличение диаметра колеса снижает коэффициент сопротивления качению. Коэффициент сопротивления качению существенно снижается с увеличением температуры шины. На дорогах с твердым покрытием увеличение давления в шине снижает сопротивление качению. Однако чрезмерное увеличение может его повысить из-за возрастания динамических нагрузок в подвеске. Увеличение нагрузки на колесо при неизменном давлении воздуха в шине увеличивает коэффициент сопротивления качению вследствие возрастания деформации шины. Границы изменения f для а/б дороги в отличном состоянии - 0,010 – 0,015, в удовлетворительном состоянии - 0,015 – 0,020, сухой песок, рыхлый снег - 0,10 – 0,30 Наличие на дорогах водяной пленки увеличивает коэффициент f на 3 – 5%, а наличие снежного покрова даже небольшой толщины – на 20 – 30%.

Сцепление колеса с опорной поверхностью. При передаче момента через колесо некоторые элементы шины скользят относительно опорной поверхности. Чем больше момент, тем больше элементов шины скользят. Однако продольная реакция R_x продолжает расти. При некоторой степени скольжения она достигает максимального значения, а затем уменьшается. Скольжение колеса в тормозном режиме удобно характеризовать коэффициентом скольжения S. В ведущем режиме этот коэффициент - коэффициент буксования. Эти коэффициенты изменяются от нуля до единицы (либо чистое буксование, либо чистое скольжение).Многочисленными экспериментальными исследованиями установлено, что продольная реакция R_x имеет максимальное значение при коэффициенте S = 0,10 … 0,15. φ_х = R_{x max} / R_z - продольный коэффициентом сцепления ( отношение максим. продольной реакции к нормальной ). В большинстве случаев он определяется при полном скольжении в тормозном режиме колеса. На дорогах с твердым покрытием природа коэффициента сцепления аналогична коэффициенту трения. При полном скольжении (буксовании) коэффициент сцепления является коэффициентом трения скольжения. Средние значения φ_х ( через / для мокрого покрытия ): - асфальтобетон и ц/б 0,70 – 0,80/0,4-0,5; - щебеночное и гравийное покрытие 0,6-,7/0,3-04; - грунтовое улучшенное 0,5-0,6/0,-0,4; - уплотненный снег 0,2-0,3/0,15; - обледенелое 0,1-0,15

Коэффициент сцепления j зависит от: - величины скольжения (буксования); - типа и состояния покрытия дороги; - скорости движения АТС; - размеров колеса и конструктивных особенностей шины; - нормальной нагрузки на шину и т.д. На влажных и загрязненных дорогах с твердым покрытием коэффициент сцепления в 1,5 – 2,0 раза ниже, чем на сухих и чистых.

Большое влияние на коэффициент сцепления оказывает шероховатость покрытия дороги, определяемая высотой и формой выступающих над общей поверхностью покрытия неровностей. В большинстве случаев оптимальными являются неровности высотой около 2 мм и углами при вершине 70 - 120º. В процессе движения колеса изнашивают дорогу, вследствие чего высота неровностей уменьшается, а неровности закругляются, что приводит к снижению коэффициента сцепления. Увеличение скорости особенно сильно снижает коэффициент сцепления на мокрых и загрязненных дорогах с недостаточной шероховатостью. Зависимость сцепления от скорости на мокрой дороге особенно велика у заблокированного колеса.

При движении по мокрой дороге между колесом и дорогой на части контактной площадки возникает гидродинамическое давление, приподнимающее переднюю часть контакта и уменьшающее коэффициент сцепления. При наличии подъемной силы снижение сцепления тем больше, чем больше толщина водяной пленки. Поэтому при испытаниях шин на влажных поверхностях толщину водяной пленки нормируют (обычно – 1 мм). При прочих равных условиях гидродинамическое давление (пропорциональное квадрату скорости) тем меньше, чем свободнее выход жидкости из контактной поверхности колеса. Это обеспечивается наличием канавок рисунка протектора и отчасти щелями, образуемыми между поверхностями шины и шероховатостей дороги. Если пленка воды не успевает выжится из под колеса, то образовывается гидродинамический клин, давление в котором больше давления колеса на поверхность дороги. При определенной большой скорости (критическая скорость аквапланирования) может возникнуть эффект аквапланирования (глиссированием), шина практически лишается способности воспринимать как продольные, так и боковые силы, а автомобиль полностью теряет управляемость и устойчивость.

Наиболее интенсивное уменьшение коэффициента сцепления наблюдается при износе протектора более чем на 50%. Поэтому ПДД запрещена эксплуатация АТС, имеющих остаточную величину рисунка протектора ниже определенных норм (грузовые автомобили – 1 мм, легковые автомобили – 1,6 мм, автобусы – 2 мм). Из конструктивных особенностей шины наибольшее влияние оказывают рисунок протектора, размеры колеса и давление воздуха в шинах.

Увеличение диаметра колеса увеличивает коэффициент сцепления. Увеличение нормальной нагрузки на колесо уменьшает коэффициент сцепления.