Теория эксплуатационных свойст автомобилей

           Рис.3. Силы и моменты, действующие на ведущее колесо.

 

Уравнение моментов относительно оси  вращения колеса при ускоренном движении с учетом момента касательных  сил инерции  М_jк запишется следующим образом:

                                 М_к = Z_к·а + Х_к· r_к ·cos α + М_jк .

Произведение Z_к·а , являющееся моментом сопротивления качению ведущего колеса, обозначим через М_f2, тогда:

                                 М_к = М_f2 + Х_к· r_к ·cos α + М_jк ,

где α - угол между равнодействующей радиальных реакций и вертикалью.

Со стороны корпуса автомобиля на ведущее колесо действует сила сопротивления F_к и сила инерции поступательно движущихся масс Р_j , которые и вызывают реакцию дороги Х_к:

                                            Х_к = F_к + Р_j.

Тогда величина необходимого крутящего  момента М_к в зависимости от величины моментов сопротивления движению определится как:

                             М_к = М_f2 + (F_к + Р_j) · r_к ·cos α + М_jк .

При замедленном движении автомобиля (отрицательном ускорении) Р_j и М_jк берутся со знаком минус.

Реакция дороги Х_к, уравновешивающая сопротивления движению (F_к + Р_j), запишется как:

                             Х_к = (М_к - М_f2 - М_jк) / ( r_к ·cos α).

Для случая ускоренного движения эластичного  ведущего колеса по твердой недеформируемой дороге уравнение моментов имеет вид:

           М_к = Х_к·r_д + Z_к·а +М_jк ,    где Х_к = F_к + Р_j.

Следовательно:

                          М_к = (F_к + Р_j )·r_д + Z_к·а +М_jк, и

                          Х_к = (М_к - М_f2 - М_jк) / ( r_д ), здесь М_f2 = Z_к·а.

При торможении автомобиля на колесо действует тормозной момент М_Т, направленный против вращения колеса, и тангенциальная реакция дороги Х_к в этом случае имеет вид (рис.4):

                              Х_к = (М_Т + М_f2 - М_jк) / ( r_д ).

 

Коэффициент полезного  действия ведущего колеса.

КПД ведущего колеса η_к можно установить по величине сопротивления качению и величине буксования, если таковое присутствует.

В первом случае коэффициент  полезного действия, учитывающий сопротивление качению f, определяется относительной долей потерянного момента, подведенного к колесу:

                                  η_f = (М_к - М_f) / Мк.

 

 

Рис.4. Силы и моменты, действующие  на колесо при торможении

 автомобиля.

 

Второй коэффициент полезного  действия η_δ учитывает эффект буксования ведущего колеса

                                  η_δ = (100 -  δ ) : 100,

где δ – буксование, взятое в процентах.

Таким образом, мощность, полезно используемая ведущими колесами машины, равна:

                                 N_{к исп.} =N_к η_к,

где:                         η_к = η_f η_δ

Физически коэффициент полезного действия ведущего колеса представляет собой отношение работы, производимой этим колесом, к энергии, подводимой к колесу.

КПД ведущего колеса зависит от соотношения между тяговым усилием и нагрузкой на колесо. Например, для ведущего колеса автотягача с шиной 11,00 – 36  при внутреннем давлении в ней 0,085 МПа его коэффициент полезного действия достигает 80% при отношении тягового усилия к нагрузке на колесо, равном 0,4. С увеличением этого отношения до 0,7 КПД ведущего колеса снижается до 50%.

      Тяговые свойства ведущего колеса  по сцеплению его с дорогой.

Касательная сила тяги, приложенная  к колесу, направлена в сторону, противоположную  движению. Ее величина ограничивается прочностью (сцеплением φ) между рабочей частью поверхности шины и дороги. Условие движения ведущего колеса без буксования:

                                               Р_к<G_к(φ + f).

Если коэффициент сопротивления  качению мал, то приближенно можно принять:

                                                Р_к<G_кφ,

то есть для того, чтобы не было пробуксовывания, тяговая сила на ведущих колесах не должна превосходить силы сцепления. В том случае, когда соотношение между касательной силой тяги и силой сцепления удовлетворяет данному условию, тяговая сила ведущих колес будет полностью использоваться для движения автомобиля. В противном случае, будет иметь место пробуксовывание на дороге, и для движения автомобиля будет использоваться только часть тяговой силы, равная силе сцепления G_кφ.

Очевидно, что пробуксовывание  приводит к снижению скорости машины. Относительное снижение скорости из-за буксования определяется величиной:

                                     ,

где v_t – теоретическая скорость движения машины без буксования;

       v – действительная скорость движения машины.

Величину буксования можно определить и по отношению пути, потерянного на буксование за один оборот колеса, к теоретическому пути без буксования также за один оборот колеса:

                                      ,

где S_t –путь, проходимый колесом без буксования за один оборот;

       S_t – действительный путь, проходимый за один оборот при тяговой эксплуатации.

Обычно сила Р_к может ограничиваться по силе сцепления при трогании с места или при преодолении повышенных сопротивлений на скользкой дороге. Ограничение тяговой силы по силе сцепления происходит чаще, когда автомобиль используется в качестве тягача для буксировки прицепа.

Для нахождения силы сцепления  ведущих колес с дорогой необходимо знать нагрузку, воспринимаемую дорогой от каждого колеса автомобиля.

Распределение нагрузки на колесах двухосного автомобиля, стоящего неподвижно на горизонтальной площадке, определяется положением его центра массы:

                                      ; .

     Здесь а и b – отрезки, определяющие положение центра масс (ЦМ) автомобиля в продольной плоскости, L - база автомобиля(рис.5).

                                                                                                                    

                                                      L                                                                 

                                                                                                                           

                                            а                           b                                             

 

 

                                                      ЦМ                                                          

                                                                                                                     

                                  G₁                                                            G₂                                        

 

                         ФА                         G

 

    

           Рис.5. Распределение нагрузки на  колеса двухосного автомобиля.

 

Очевидно, G₁+ G₂ = G. Практически величины G₁ и G₂ определяются путем взвешивания отдельно передней и задней частей автомобиля. По экспериментально определенным значениям G₁ и G₂ легко рассчитать (обратная задача) положение центра массы (отрезки а и b), используя для этого приведенные выше формулы.

При движении автомобиля возникают  дополнительные силы и моменты, которые  перераспределяют нагрузки на колеса. Например, сила сопротивления воздуха и подъему, бокового ветра, сила инерции при ускоренном или замедленном движении автомобиля и др.

    Коэффициент  сцепления ведущего колеса с  дорогой.

Коэффициент сцепления колеса с  дорогой φ представляет собой отношение той силы, которая может вызвать относительное перемещение опорной поверхности шины колеса по дороге, к реакции дороги на колесо, направленное нормально к поверхности дороги. Это определение аналогично установленному в механике определению коэффициента трения первого рода между двумя твердыми телами. Поэтому часто считают, что коэффициент сцепления и коэффициент трения -–понятия равнозначащие. Это положение весьма близко к действительности для дорог с твердым покрытием. Здесь передача тангенциальных усилий от колеса к дороге обуславливается почти исключительно трением между опорной поверхностью шины и дорогой.

Взаимодействие колеса с дорогой, имеющей мягкое покрытие (песок, щебень и т.п.) происходит иначе. В этом случае под влиянием тангенциальных усилий между дорогой и шиной происходит частичное разрушение контактной поверхности (смятие, сдвиг и т.д.), что  вызывает проскальзывание или буксование ведущего колеса. Коэффициент сцепления при этом отличается от определения коэффициента трения.

Коэффициент сцепления колеса на таких  дорогах трудно определим расчетным путем и выясняется проведением экспериментальных исследований. Исследуемый автомобиль с полностью заторможенными колесами буксируется с помощью специального тягача при одновременном измерении усилия на сцепке с помощью динамометра. Отношение этого усилия к полному весу буксируемого автомобиля представляет собой коэффициент сцепления.

Этим способом можно определить величину φ на дорогах с покрытиями различного типа. Существуют и другие способы определения φ, например, торможением автомобиля на исследуемом участке дороге с одновременным измерением тормозных путей.

По результатам многочисленных испытаний устанавливают средние  величины коэффициента сцепления для  различных типов дорожного покрытия (таблица 2).

                                                                                           Таблица 2.

Тип дорожного покрытия	Величина коэффициента  сцепления φ
	Сухая поверхность	Мокрая поверхность
Асфальт	0,7…0,8	0,3…0,4
Грунтовая дорога	0,5…0,6	0,3…0,4
Глина	0,5…0,6	0,3…0,4
Песок	0,5…0,6	0,4…0,5
Обледенелая дорога	0,2…0,3
Дорога, покрытая снегом	0,2…0,4

 

Автомобиль с одинарными шинам обладает более высокой проходимостью по сравнению с автомобилем, оснащенным спаренными шинами. Объясняется это тем, что при наличии второй шины при движении по мягкой дороге (глина, песок, снег) дополнительно расходуется мощность на образование второй колеи. Кроме того, при переходе от спаренных колес к одинарным неизбежно должен быть увеличен диаметр шины (по соображениям сохранения заданного удельного давления в зоне контакта колеса с дорогой), что также благоприятно сказывается на повышении проходимости.

Большое влияние на тягово-сцепные  качества автомобиля оказывают геометрические параметры грунтозацепов протектора шины. Грунтозацепы шины ведущего колеса, погружаясь в грунт, деформируют его не только в радиальном, но и в тангенциальном направлении, и постепенно уплотняют. По мере уплотнения грунта в тангенциальном направлении, его сопротивление сдвигу возрастает до некоторого предела, после чего начинается разрушение (сдвиг) грунта. Соответственно этому по мере деформации грунта, внешним проявлением чего служит частичная пробуксовка шины (ее поворачивание на угол, соответствующей величине уплотнения грунта), коэффициент сцепления возрастает до некоторого максимума, а затем падает до величины, характеризуемой внутренним трением между частицами грунта.

 

                 Контрольные вопросы и задания.

1. Назовите основные виды деформации пневматической шины.
2. Поясните, как та или иная деформация шины влияет на показатели работы автомобиля.
3. Перечислите радиусы качения автомобильного колеса.
4. Что такое сила сопротивления качению колеса и от чего она зависит?
5. Что такое коэффициент сопротивления качению? От чего он зависит и что определяет?
6. Какие силы и моменты действуют на колесо?
7. Что такое коэффициент сцепления колеса с опорной поверхностью? От чего он зависит и что определяет?
8. Что такое КПД ведущего колеса?
9. Как зависит касательная сила тяги от нормальной нагрузки на ведущее колесо?
10. Как влияют конструктивные параметры шины и эксплуатационные факторы на КПД и тяговые свойства ведущего колеса?
11. Определить радиусы качения колеса по данной серии шины.