Взаимодействие колеса с опорной поверхностью.
При качении колеса наблюдается деформация шины и дороги, сопровождающаяся потерей энергии. Энергия затрачивается на трение в материалах шины и дороги, а также на трение скольжения в контакте шины с дорогой и аэродинамические потери.
Суммарный эффект этих явлений принято называть сопротивлением качению автомобильного колеса. Потери на качение оценивают силой сопротивления качению, коэффициентом сопротивления качению или мощностью потерь на качение.
В шине энергия затрачивается на межмолекулярное трение в резине и корде и механическое трение между различными элементами шины.
В грунте энергия затрачивается в основном на механическое трение между его отдельными частицами.
Сопротивление качению автомобильного колеса зависит от многих факторов: конструкции и материала шины, обода; точности их изготовления; скорости движения; величины приложенных к колесу внешних сил; давления воздуха; температуры; износа протектора и, особенно, от дорожных условий.
В табл. 21.2 приведены значения коэффициента сопротивления качению диагональной шины при движении со скоростью 50 км/ч по различным типам дорожных покрытий.
Коэффициенты сопротивления качению для различных типов дорожных покрытий
Тип покрытия | Коэффициент сопротивления качению |
Дорога с асфальтобетонным покрытием: | |
в хорошем состоянии | 0,008-0,011 |
в удовлетворительном состоянии | 0,018-0,020 |
Дорога с гравийным покрытием в хорошем состоянии | 0,020-0,025 |
Булыжное шоссе: | |
в хорошем состоянии | 0,025-0,030 |
с выбоинами | 0,035-0,050 |
Грунтовая дорога: | |
сухая, укатанная | 0,025-0,035 |
после дождя | 0,05-0,15 |
в период распутицы | 0,10-0,25 |
Песок и супесь: | |
сухие | 0,1-0,3 |
сырые | 0,06-0,15 |
Суглинистая и глинистая целина: | |
сухая | 0,04-0,06 |
в пластическом состоянии | 0,1-0,2 |
в текучем состоянии | 0,2-0,3 |
Обледенелая дорога или лед | 0,015-0,03 |
Укатанная снежная дорога | 0,03-0,05 |
Принято при поставке на производство новой шины определять коэффициент сопротивления методом измерения продольной силы на оси колеса, катящегося по гладкому стальному барабану испытательного стенда. Шину прижимают к барабану нагрузкой, равной 80% максимально допустимой для шин легковых автомобилей и 85% — для шин грузовых автомбилей. В этом случае коэффициент сопротивления качению/рассчитывают по формуле
где F — продольная сила, Н; F5Q — продольная сила при нагрузке 50 Н; Р — нагрузка на шину, Н; гк — динамический радиус шины, м; R — радиус барабана стенда, м.
В табл. 21.3 приведены регламентируемые коэффициенты сопротивления качению для различных по конструкции шин легковых и грузовых автомобилей при испытаниях на барабанных стендах.
Для решения практических задач при определении сопротивления качению автомобильного колеса используют эмпирические формулы, учитывающие скорость качения и неровности дороги:
Коэффициенты сопротивления качению, полученные на барабанном стенде для шин легковых и грузовых автомобилей
Тип шины | Коэффициент сопротивления качению, не более | |
для легковых автомобилей | для грузовых автомобилей | |
Диагональные | 0,03 | 0,16 |
Радиальные | 0,015 | - |
Радиальные комбинированные | - | 0,013 |
Радиальные цельнометаллокордные | - | 0,0095 |
где/0 — начальный коэффициент сопротивления качению ведомого или ведущего колеса, соответствующий сопротивлению качению при малой скорости; А,п — коэффициент, зависящий от конструкции ходовой части автомобиля (4,0 для легковых и 5,5 — для грузовых автомобилей); Sn — показатель ровности покрытия (для асфальтобетона Sn = 50-150).
При качении шины в результате трения происходит ее нагрев. Тепловое состояние шины в процессе ее работы зависит от ее размеров, геометрии рисунка протектора, упругих, гистерезисных и тепловых характеристик шинных материалов, а также параметров качения: внутреннего давления, вертикальной нагрузки, скорости, температуры окружающего воздуха в камере либо действительной температуры в заданной точке профиля шины. Средняя температура шины, °С,
где GK — нагрузка на шину, Н;/— коэффициент сопротивления качению; К — коэффициент теплопередачи от поверхности шины; v — скорость качения, км/ч; Dc — средний диаметр шины, м (Dc = D - В); В — ширина профиля шины, примерно равная высоте профиля шины, м.
Температура шины до 100 °С считается допустимой, 100— 120 °С — критической, а выше — опасной для шины.
Способность автомобильного колеса, нагруженного нормальной нагрузкой, воспринимать или передавать касательные силы при взаимодействии с дорогой является одним из важных его качеств, обеспечивающих возможность движения автомобиля. Это качество принято оценивать коэффициентом сцепления ф — отношением максимальной касательной реакции Гтах в зоне контакта к нормальной реакции или нагрузке GK, действующей на колесо:
Коэффициент сцепления является характеристикой взаимодействия колеса с дорогой. Он зависит в первую очередь от типа покрытия и состояния дороги, конструкции и материала шины, давления воздуха в ней, нагрузки на колесо, скорости движения, температурных условий, процента скольжения или буксования колеса.
В табл. 21.4 приведены значения коэффициента сцепления различных шин с дорогой.
Коэффициенты сцепления различных шин с дорогой
Таблица 21А
Дорожное покрытие | Коэффициент сцепления для шин | |||
Наименование | Состояние | ВЫСОКОГО давления | НИЗКОГО давления | ВЫСОКОЙ проходимости |
Асфальтобетонное | Сухое | 0,50-0,70 | 0,70-0,80 | 0,70-0,80 |
Мокрое | 0,35-0,45 | 0,45-0,55 | 0,50-0,60 | |
Покрытое грязью | 0,25-0,45 | 0,25-0,40 | 0,25-0,45 | |
Булыжное | Сухое | 0,40-0,50 | 0,50-0,55 | 0,60-0,70 |
Щебеночное | Сухое | 0,50-0,60 | 0,60-0,70 | 0,60-0,70 |
Мокрое | 0,30-0,40 | 0,40-0,50 | 0,40-0,55 | |
Грунтовая дорога | Сухая | 0,40-0,50 | 0,50-0,60 | 0,50-0,60 |
Увлажненная дождем | 0,20-0,40 | 0,30-0,45 | 0,35-0,50 | |
В период распутицы | 0,15-0,25 | 0,15-0,25 | 0,20-0,30 | |
Целина летом: | ||||
песок | Сухой | 0,20-0,30 | 0,22-0,40 | 0,20-0,30 |
Влажный | 0,35-0,40 | 0,40-0,50 | 0,40-0,50 | |
суглинок | Сухой | 0,40-0,50 | 0,45-0,55 | 0,40-0,50 |
Увлажненный | 0,20-0,40 | 0,25-0,40 | 0,30-0,45 | |
Увлажненный до текучего состояния | 0,15-0,20 | 0,15-0,25 | 0,15-0,25 | |
Целина зимой: | ||||
снег | Рыхлый | 0,20-0,30 | 0,20-0,40 | 0,20-0,40 |
Укатанный | 0,15-0,20 | 0,20-0,25 | 0,30-0,50 | |
обледенелая дорога | Температура воздуха | |||
и гладкий лед | ниже 0 °С | 0,08-0,15 | 0,10-0,20 | 0,05-0,10 |
Большое влияние на сцепление элементов шины с дорогой оказывает увлажнение опорной поверхности. С увеличением толщины пленки воды и скорости движения силы трения и сцепления шины с дорогой уменьшаются. Это происходит в результате затрудненного удаления влаги из зоны контакта. При определенной толщине пленки воды и скорости движения из-за действия гидродинамических сил в контакте шина всплывает на пленке жидкости. В этом случае силы сцепления колеса с дорогой имеют очень низкие значения, определяемые трением в жидкостном слое, и колесо не способно передавать или воспринимать сколько-нибудь значительные внешние силы. Такое состояние шины на мокрой дороге принято называть аквапланированием, а скорость, при которой оно возникает, — критической. При критической скорости движение автомобиля становится неустойчивым и незначительное внешнее воздействие (порыв ветра, наклон дороги) может вызвать произвольное отклонение траектории движения автомобиля.
Критическая скорость аквапланирования для шины с гладким рисунком протектора может быть определена по формуле
где GK — нагрузка на колесо; В — ширина протектора; hB — толщина слоя воды; Сг — коэффициент подъемной силы гидроклина.