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.