Качение колеса при действии на него боковых сил. Понятие об уводе эластичного колеса

До сих пор мы рассматривали прямолинейное движение автомобиля и считали, что все внешние силы, действующие на него, направлены либо по движению, либо против движения. При повороте автомобиля, кроме этих сил, возникают также силы, перпендикулярные направлению движения. Будем называть их боковыми силами.

Из механики, например, известно, что движение любого тела по дуге окружности возможно только в результате действия на это тело центростремительной силы. У автомобиля центростремительной силой является сумма боковых сил У сцепления колес с дорогой (рис. 39), возникающих в результате поворота его управляемых колес. Центростремительная сила уравновешивает центробежную силу, стремящуюся сохранить прямолинейное движение автомобиля. Центробежную силу считают приложенной в центре тяжести автомобиля и направленной по радиусу окружности, описываемой центром тяжести в сторону от центра этой окружности, называемого центром поворота автомобиля.

Боковые силы сцепления колес с дорогой возникают также и при движении автомобиля по любой другой криволинейной траектории.

Рис. 39. Схема сил, действующих на автомобиль при повороте

Таким образом, при повороте автомобиля на каждое из его колес действуют три силы взаимодействия с дорогой (рис. 40): нормальная реакция Z, касательная реакция X и боковая реакция У. Соответственно, сила, действующая на колесо со стороны автомобиля, также будет иметь три составляющие нормальную нагрузку P_z, толкающую силу Р_х и боковую силу Р_y .

Будем называть плоскость симметрии колеса, перпендикулярную его оси вращения, плоскостью качения колеса, а точку пересечения оси вращения с плоскостью качения центром колеса. Скорость центра колеса будем называть скоростью колеса. Если колесо, на которое действует боковая сила, считать жестким, и величина боковой реакции дороги не превосходит некоторого значения У_max, определяемого сцеплением колеса с дорогой, то вектор скорости колеса всегда расположен в плоскости его качения. Силу У_max можно найти следующим образом.

Равнодействующая сил X и У, лежащих в плоскости дороги, не может превышать силу сцепления с дорогой, равную Zφ, где φ – коэффициент сцепления колеса с дорогой.

Поэтому можно записать неравенство:

; (133)

Рис. 40. Силы, действующие на колеса автомобиля при повороте

Если X = 0, или мало по сравнению с Z_φ,то У_max = Zφ_y, где φ_y – коэффициент сцепления колеса с дорогой в поперечном направлении (поперечный коэффициент сцепления).

Если учитывать эластичность колеса, то при действии на него любой по величине боковой силы вектор скорости колеса отклоняется от плоскости качения на некоторый угол δ (рис. 41). Явление отклонения вектора скорости колеса от плоскости качения называют боковым уводом (или просто уводом) колеса, а угол δ – углом увода.

Угол увода является функцией боковой силы (рис. 41) и определяется опытным путем. Обычно при испытаниях задают угол увода и определяют соответствующую этому углу боковую силу. Поэтому на графике δ откладывается по оси абсцисс, а Р_y – по оси ординат.

При изменении утла увода от нуля до некоторого значения, различного для различных шин, различных нормальных нагрузок на колесо и коэффициентов сцепления колеса с опорной поверхностью, боковая сила изменяется почти пропорционально изменению δ (участок ab рис. 41).

Для этого случая можно записать:

Р_у=K_уδ; (134)

Коэффициент K_у называется коэффициентом сопротивления уводу.

Коэффициент сопротивления уводу численно равен боковой силе, вызывающей увод либо на 1°, либо на 1 радиан. В первом случае коэффициент сопротивления уводу выражается в кг/град (Н/град) а во втором – в кг/рад (Н/рад).

Величина коэффициента сопротивления уводу зависит, прежде всего, от размеров шины. Чем больше размеры шины, тем больше K_у. Например, для шин 6,45-13 автомобиля «Москвич-412» коэффициент сопротивления уводу при номинальной погрузке и номинальном давлении воздуха в шине равен 55 кг/град (3150 кг/рад), а для шин 260-508 автомобиля ЗИЛ-130 K_y = 170 кг/град(9700 кг/рад). Коэффициент K_у увеличивается с увеличением давления воздуха в шине. При увеличении нормальной нагрузки K_у вначале возрастает, а затем, достигнув максимума, падает (рис. 42).

Рис. 41. Зависимость боковой силы от угла увода

Рис. 42. Зависимость коэффициента сопротивления уводу от нормальной нагрузки

При изменении коэффициента сцепления колеса с дорогой коэффициент сопротивления уводу почти не изменяется, но угол, при котором линейная часть зависимости Р_y = f(δ) переходит в нелинейную, тем меньше, чем меньше φ_y .

Уравнением (134) можно пользоваться и для нелинейного участка зависимости Р_y = f(δ) (кривая bc на рис. 41), считая при этом, что K_y является функцией от δ. Чем больше δ, тем на этом участке меньше K_y.

Если угол увода возрастает настолько, что боковая сила достигает величины, максимально возможной по сцеплению, начинается боковое скольжение колеса (прямая cd рис. 41). Значение максимальной по сцеплению боковой силы подсчитывается по формуле (134).