Взаимодействие колеса с опорной поверхностью

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; F_5Q — продольная сила при нагрузке 50 Н; Р — нагрузка на шину, Н; г_к — 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
Тип шины	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); S_n — показатель ровности покрытия (для асфальтобетона S_n = 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 G_K — нагрузка на шину, Н;/— коэффициент сопротивления качению; К — коэффициент теплопередачи от поверхности шины; v — скорость качения, км/ч; D_c — средний диаметр шины, м (D_c = 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 Г_тах в зоне контакта к нормальной реакции или нагрузке G_K, 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