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.