Коэффициент сцепления ведущего колеса с дорогой

Коэффициент сцепления колеса с дорогой φ представляет собой отношение той силы, которая может вызвать относительное перемещение опорной поверхности шины колеса по дороге, к реакции дороги на колесо, направленное нормально к поверхности дороги. Это определение аналогично установленному в механике определению коэффициента трения первого рода между двумя твердыми телами. Поэтому часто считают, что коэффициент сцепления и коэффициент трения -–понятия равнозначащие. Это положение весьма близко к действительности для дорог с твердым покрытием. Здесь передача тангенциальных усилий от колеса к дороге обуславливается почти исключительно трением между опорной поверхностью шины и дорогой.

Взаимодействие колеса с дорогой, имеющей мягкое покрытие (песок, щебень и т.п.) происходит иначе. В этом случае под влиянием тангенциальных усилий между дорогой и шиной происходит частичное разрушение контактной поверхности (смятие, сдвиг и т.д.), что вызывает проскальзывание или буксование ведущего колеса. Коэффициент сцепления при этом отличается от определения коэффициента трения.

Коэффициент сцепления колеса на таких дорогах трудно определим расчетным путем и выясняется проведением экспериментальных исследований. Исследуемый автомобиль с полностью заторможенными колесами буксируется с помощью специального тягача при одновременном измерении усилия на сцепке с помощью динамометра. Отношение этого усилия к полному весу буксируемого автомобиля представляет собой коэффициент сцепления.

Этим способом можно определить величину φ на дорогах с покрытиями различного типа. Существуют и другие способы определения φ, например, торможением автомобиля на исследуемом участке дороге с одновременным измерением тормозных путей.

По результатам многочисленных испытаний устанавливают средние величины коэффициента сцепления для различных типов дорожного покрытия (таблица 2).

Таблица 2.

Автомобиль с одинарными шинам обладает более высокой проходимостью по сравнению с автомобилем, оснащенным спаренными шинами. Объясняется это тем, что при наличии второй шины при движении по мягкой дороге (глина, песок, снег) дополнительно расходуется мощность на образование второй колеи. Кроме того, при переходе от спаренных колес к одинарным неизбежно должен быть увеличен диаметр шины (по соображениям сохранения заданного удельного давления в зоне контакта колеса с дорогой), что также благоприятно сказывается на повышении проходимости.

Большое влияние на тягово-сцепные качества автомобиля оказывают геометрические параметры грунтозацепов протектора шины. Грунтозацепы шины ведущего колеса, погружаясь в грунт, деформируют его не только в радиальном, но и в тангенциальном направлении, и постепенно уплотняют. По мере уплотнения грунта в тангенциальном направлении, его сопротивление сдвигу возрастает до некоторого предела, после чего начинается разрушение (сдвиг) грунта. Соответственно этому по мере деформации грунта, внешним проявлением чего служит частичная пробуксовка шины (ее поворачивание на угол, соответствующей величине уплотнения грунта), коэффициент сцепления возрастает до некоторого максимума, а затем падает до величины, характеризуемой внутренним трением между частицами грунта.

Контрольные вопросы и задания.

1. Назовите основные виды деформации пневматической шины.

2. Поясните, как та или иная деформация шины влияет на показатели работы автомобиля.

3. Перечислите радиусы качения автомобильного колеса.

4. Что такое сила сопротивления качению колеса и от чего она зависит?

5. Что такое коэффициент сопротивления качению? От чего он зависит и что определяет?

6. Какие силы и моменты действуют на колесо?

7. Что такое коэффициент сцепления колеса с опорной поверхностью? От чего он зависит и что определяет?

8. Что такое КПД ведущего колеса?

9. Как зависит касательная сила тяги от нормальной нагрузки на ведущее колесо?

10. Как влияют конструктивные параметры шины и эксплуатационные факторы на КПД и тяговые свойства ведущего колеса?

11. Определить радиусы качения колеса по данной серии шины.

Тяговый баланс автомобиля

Составляющие тягового баланса автомобиля.

Законы движения автомобиля могут быть аналитически установлены, если известны силы, действующие на автомобиль в процессе его движения. Эти силы подразделяются на две группы: силы движущие и силы сопротивления.

Силами, движущими автомобиль, являются окружные (тангенциальные) силы, возникающих на шинах ведущих колес в точках соприкосновения их с дорогой в результате передачи вращающего момента М_е от двигателя к колесам. Результирующую составляющую этих сил называют тяговой силой (касательной силой тяги) на ведущих колесах.

Сумма сил ΣР_i внешних сопротивлений, испытываемых автомобилем при движении, включает в себя силы отдельные виды сопротивлений. К ним относятся: сила сопротивления качению Р_f, сила сопротивления подъему Р_h, сила сопротивления воздуха Р_w и сила сопротивления ускорению Р_j, которая обусловлена не только массой поступательно движущихся частей автомобиля, но и массами его вращающихся элементов конструкции (двигателя, трансмиссии и колес).

Касательная сила тяги (Р_к).

Между колесами и поверхностью, по которой движется автомобиль, под действием ведущего момента М_к, подведенного к колесам, возникает тяговое усилие, так называемая касательная сила тяги (Р_к).

Её можно подсчитать при известной характеристике двигателя по формуле:

Р_к = М_к / r_к = (М_е i_кп i₀ η_т) / r_к,

где r_к - радиус приложения силы Р_к (радиус качения колеса).

i_кп - передаточное число коробки передач;

i₀ - передаточное число главной передачи (ведущего моста);

η_т - КПД, учитывающий потери энергии в трансмиссии.

Касательная сила тяги представляет собой реакцию со стороны почвы или поверхности дороги, действующую на ведущие колеса в направлении движения машины.

Учитывая, что крутящий момент двигателя с учетом его характеристики изменяется в зависимости от его мощности N_е и угловой скорости ω вала, можно воспользоваться также следующей формулой:

Р_к = (N_е i_кп i₀ η_т) / (ω · r_к).

Таким образом, величина касательной силы тяги на ведущих колесах изменяется прямо пропорционально мощности двигателя, передаточному числу коробки передач i_кп и главной передачи (ведущего моста) i₀ и обратно пропорционально радиусу качения r_к ведущего колеса и угловой скорости ω (частоте вращения) вала двигателя.

Величина реакции почвы, направленная в сторону движения машины, равна сумме сил сопротивления движению автомобиля. На твердой недеформируемой поверхности дороги реакция, вызываемая вращением ведущих колес, зависит от величины силы трения между колесами и дорогой. При движении по мягкой почве протектор шины вдавливается в грунт и, кроме сил трения, в почве возникают горизонтальные реакции благодаря сцеплению выступающего рисунка протектора с почвой.

Следовательно, максимально возможная величина касательной силы тяги ограничивается силой сцепления ведущих колес Р_φ автомобиля с опорной поверхностью:

Р_к ≤ Р_φ.

Сцепные качества машины характеризуются коэффициентом использования сцепления φ_к. Для машин, у которых все колеса – ведущие, он равен:

,

где Р_к – тяговое усилие машины, Н;

G – вес (сила тяжести) машины, Н.

Для машин с одним ведущим мостом коэффициент использования сцепления определяется по формуле:

,

где λ – часть веса машины, приходящаяся на ведущие колеса. Для машин колесной формулы 4×4 λ = 1.

Если касательная сила тяги по двигателю превосходит величину возможной силы сцепления, то наступает буксование, полное или частичное проскальзывание ведущих колес. Движение автомобиля становится невозможным или происходит с большой потерей поступательной скорости. При работах автотягача на грунтовых дорогах с прицепом, как правило, имеет место буксование, вызванное возникновением сравнительно больших по величине горизонтальных реакций, которые вызывают некоторое смятие и сдвиг почвы, и соответствующую потерю скорости движения машины.

Наибольшая касательная сила тяги, которая может быть реализована по условиям сцепления с почвой, не является постоянной величиной и зависит от условий эксплуатации автомобиля, физико-механических свойств грунта или дороги, а также от нагрузки, приходящейся на ведущие колеса.

Скорость поступательного движения машины (v) без буксования определяется угловой скоростью вращения ведущих колес (ω_к), радиусом их качения (r_к):

v = ω_к · r_к = ω · r_к / i_т = ω · r_к / i_кп i₀.

Каждой величине угловой скорости вала двигателя (ω) соответствует на данной передаче определенная сила тяги на ведущих колесах автомобиля и определенная скорость (v).

Силы сопротивления движению автомобиля.

Анализ сил сопротивления движению автомобиля позволяет установить, какая часть мощности, передаваемая от двигателя, может быть использована полезно и из каких составляющих состоит общее сопротивление движению.

Выше отмечалось, что на автомобиль в общем случае движения действуют следующие силы сопротивления:

1) сопротивление качению (Р_f);

2) сопротивление воздуха (Р_w);

3) сопротивление подъему (Р_h);

4) сопротивление разгону (Р_j);

5) тяговое сопротивление на крюке прицепа (Р_кр).