Главная | Обратная связь

Силы и моменты, действующие на ведущие колеса

На автомобильное колесо, взаимодействующее с опорной поверхностью, действуют определенные силы, которые удерживают автомобиль на дороге, передвигают и останавливают его, заставляют изменять направления движения. В процессе взаимодействия колесного движителя с опорной поверхностью деформируется как колесо, так и опорная поверхность. Для автомобиля как транспортного средства наиболее характерен вид движения, при котором деформация опорной поверхности значительно меньше деформации шины. Т. е. характерной особенностью автомобиля является то, что его движителем является система колес с эластичными пневматическими шинами.

Шина деформируется под действием нормальной к опорной поверхности составляющей нагрузки на колесо. Площадь контакта ее с дорогой увеличивается до тех пор, пока не наступит равновесие между нормальной реакцией дороги и нагрузкой. У неподвижной шины контактная поверхность имеет форму, близкую к эллипсу, большая ось которого находится в плоскости симметрии шины. Распределение давления по площади контактной поверхности неравномерное, оно примерно пропорционально деформации шины. Характерная эпюра давлений под неподвижной шиной показана на рис.

Рис. 1. Эпюры давлений: a — неподвижной шины; b — катящейся шины.

За один оборот колеса каждый элемент профиля шины подвергается полному циклу нагружения и разгрузки. Зависимость нагрузки dF, передающейся на элемент, от его деформации представлена на графике рис. 2. По мере перемещения элемента шины от точки его входа в пятно контакта с дорожным покрытием (точка 1), к точке, лежащей на малой оси эллипса пятна контакта (точка 2), увеличивается его деформация и, следовательно, воспринимаемая им нагрузка (линия 1-2). При перемещении элемента от точки, лежащей на малой оси эллипса пятна контакта (точка 2), к точке выхода элемента шины из пятна контакта (точка 3) происходит уменьшение деформации, соответственно уменьшаются нагрузки, приходящейся на элемент. На графике линия 2-3, характеризующая зависимость dF=f(h) (h - величина прогиба) при уменьшении деформации, вследствие неизбежных гистерезисных потерь пройдет ниже линии 1-2, показывающей ту же зависимость при увеличении деформации. Площадь, заключенная между линиями нагружения и разгрузки, пропорциональна потерям энергии на деформацию элемента шины при одном обороте колеса. Если быть более точным, то часть подведенной энергии рассеивается в результате внутреннего трения между различными конструктивными элементами шины (слоями корда, наружным слоем корда и брекером, брекером и протектором).

Рис. 2. Деформация элементов шины при качении: dF - нагрузка, h - величина прогиба шины.

Вследствие того, что при одинаковых прогибах в зонах увеличения и уменьшения деформации на элементы шины приходится разная нагрузка, эпюра давлений для катящегося колеса оказывается несимметричной относительно середины контактной поверхности: в передней части контактной поверхности нормальные давления будут большими, нежели в задней. Поэтому равнодействующая нормальных реакций смещена на расстояние а от середины контактной поверхности (см. рис. 1.б). За счет этого смещения создается момент относительно оси колеса.

На ведущие колеса автомобиля действуют силы со стороны автомобиля и дороги. Обозначим силы, действующие на колесо со стороны автомобиля, буквой Р, а со стороны дороги — буквой R (рис. 2.3).

Тяговый момент М_тна ведущих колесах стремится сдвинуть назад верхний слой дорожного покрытия. Со стороны дороги на ведущее колесо в зоне контакта действует противоположно направленная сила R_x— касательная реакция дороги.

Так как на автомобиле используются эластичные пневмошины, то неизбежна частичная потеря момента М_т. Поэтому продольную реакцию R_xсо стороны дороги, обеспечивающую качение колеса, можно записать как

(2.5)

где Р_ш— сила, учитывающая потери энергии в шинах ведущих колес.

Таким образом, касательная реакция дороги создает силу тяги.

Рис. 3 – Силы, действующие на ведущее колесо

Со стороны автомобиля, т. е. его масса, действует на каждое колесо (сила P_Z), а значит и на дорогу. И со стороны дороги соответственно возникает реакция R_Z которая называется нормальной.

Нормальная реакция R_Zприкладывается не к оси симметрии опорной площадки колеса, а на расстоянии а_ш от нее. Это происходит вследствие смещения центра давления из-за эластичности шин.

Когда сцепление с дорогой мало (например, на гладком льду) или колесо вывешено (отсутствует весовая нагрузка), крутящий момент и силы тяги на колесе очень малы или отсутствуют. Если "тяга" меньше сопротивления движению, автомобиль не сможет тронуться с места.

Рис. 4 - Сила тяги на колесе (FT) и подводимый к нему крутящий момент (Мкр): а – на асфальте, б – на льду, в – при взвешенном колесе. Р – весовая нагрузка на колесо, RK – радиус качения колеса.

Рис. 4 – Сопротивление качению колеса, вызванное эластичностью шины

Эпюра элементарных нормальных реакций дороги, показанная на рис. 2.4, объясняет причину смещения точки приложения реакции R_Z..

Это происходит вследствие того, что нормальные реакции на переднем и заднем участках опорной площади различны по величине, так как силы, возникающие в упругом материале шины при приложении и снятии нагрузки неодинаковы. Это объясняется действием сил внутреннего трения между взаимоперемещающимися частицами материала. При приложении нагрузки эти силы и силы упругости направлены в одну и ту же сторону, а при снятии — в противоположные стороны.

Боковая сила Р_узначительно увеличивается при криволинейном движении автомобиля или при движении по косогору.

Боковая реакция R_yсо стороны дороги удерживает колеса от бокового скольжения (заноса).