Какие силы действуют на колесо при движении

Автомобили

Схема сил действующих на ведущее колесо

На движущийся автомобиль действует ряд сил, часть из которых направлена по оси движения автомобиля, а часть — под углом к этой оси. Условимся называть первые из этих сил продольными, а вторые боковыми.

Какие силы действуют на колесо при движении

Рис. Схема сил действующих на ведущее колесо.
а — состояние неподвижности; б — состояние движения

Продольные силы могут быть направлены как по ходу, так и против хода движения автомобиля. Силы, направленные по ходу движения, являются движущимися и стремятся продолжить движение. Силы, направленные против хода движения, являются силами сопротивления и стремятся остановить автомобиль.

На автомобиль, движущийся по горизонтальному и прямому участку дороги, действуют следующие продольные силы:

  • тяговая сила
  • сила сопротивления воздуха
  • сила сопротивления качению

При движении автомобиля в гору возникает сила сопротивления подъему, а при разгоне автомобиля—сила сопро­тивления разгону (сила инерции).

Тяговая сила

Развиваемый двигателем автомобиля крутящий момент передается на ведущие колеса. В передаче крутящего момента от двигателя к ведущим колесам участвуют механизмы трансмиссии. Крутящий момент на ведущих колесах зависит от крутящего момента двигателя и передаточных чисел коробки передач и главной передачи. В точке касания колес с поверхностью дороги крутящий момент вызывает окружную силу. Противодействие дороги этой окружной силе выражается реактивной силой, передаваемой от дороги на ведущее колесо. Эта сила направлена в сторону движения автомобиля и называется толкающей или тяговой силой. Тяговая сила от колес передается на ведущий мост и далее на раму, заставляя автомо­биль двигаться. Величина тяговой силы тем больше, чем больше крутящий момент двигателя и передаточные числа коробки пере­дач и главной передачи. Тяговая сила на ведущих колесах дости­гает наибольшей величины при движении автомобиля на низшей передаче, поэтому низшую передачу используют при трогании с места автомобиля с грузом, при движении автомобиля по бездо­рожью. Величина тяговой силы на ведущих колесах автомобиля ограничивается сцеплением шин с поверхностью дороги.

Сила сцепления колес с дорогой

Трение, возника­ющее между ведущими колесами автомобиля и дорогой, называ­ется силой сцепления. Сила сцепления равна произведению коэф­фициента сцепления на сцепной вес, т. е. вес, приходящийся на ведущие колеса автомобиля. Величина коэффициента сцепления шин с дорогой зависит от качества и состояния дорожного покрытия, формы и состояния ри­сунка протектора ши­ны, давления воздуха в шине.

У легковых автомо­билей полный вес рас­пределяется по осям примерно поровну. По­этому сцепной вес его можно принять равным 50% полного веса. У грузовых автомоби­лей при полной их на­грузке сцепной вес (вес, приходящийся на заднюю ось) составляет примерно 60—70% полного веса.

Величина коэффициента сцепления имеет большое значение для эксплуатации автомобиля и безопасности движения, так как от него зависят проходимость автомобиля, тормозные качества, возможность, пробуксовки и заноса ведущих колес. При незначи­тельном коэффициенте сцепления трогание автомобиля с места со­провождается пробуксовкой, а торможение — скольжением колес. В результате автомобиль иногда не удается тронуть с места, а при торможении происходит резкое увеличение тормозного пути и возникновение заноса.

На асфальтобетонных покрытиях в жаркую погоду на поверх­ность выступает битум, делая дорогу маслянистой и более скольз­кой, что снижает коэффициент сцепления. Особенно сильно снижается коэффициент сцепления при смачивании дороги первым дождем, когда образуется еще не смытая пленка жидкой грязи. Заснежённая или обледенелая дорога особенно опасна в теплую погоду, когда поверхность подтаивает.

При увеличении скорости движения коэффициент сцепления снижается, в особенности на мокрой дороге, так как выступы ри­сунка протектора шины не успевают продавливать пленку влаги.

Исправное состояние рисунка протектора шины имеет большое значение при движении по грунтовым дорогам, снегу, песку, а также по дорогам с твердым покрытием, по покрытым пленкой грязи или воды. Благодаря наличию выступов рисунка опорная площадь шины уменьшается и, следовательно, возрастает удельное давление на поверхность дороги. При этом легче продавливается грязевая пленка и восстанавливается контакт с дорожным покрытием, а на легком грунте происходит непосредственное зацепление выступов рисунка за грунт.

Повышенное давление воздуха в шине уменьшает ее опорную поверхность, вследствие чего удельное давление возрастает на­столько, что при трогании с места и при торможении может произойти разрушение резины и сцепление колес с дорогой уменьшается.

Таким образом, величина коэффициента сцепления зависит от многих условий и может изменяться в довольно значительных пределах. Так как много дорожно-транспортных происшествий происходит из-за плохого сцепления, то водители должны уметь приблизительно оценивать величину коэффициента сцепления и выбирать скорость движения и приемы управления в соответствии с ним.

Сила сопротивления воздуха

При движении автомо­биль преодолевает сопротивление воздуха, которое складывается из нескольких сопротивлений:

  • лобового сопротивле­ния (около 55—60% всего сопротивления воздуха)
  • создаваемого выступающими частями—подножками автобуса или автомобиля, крыльями (12—18%)
  • возникающего при прохождении воздуха через радиатор и подкапотное пространство (10—15%) и др.

Передней частью автомобиля воздух сжимается и раздвигает­ся, в то время как в задней части автомобиля создается разреже­ние, которое вызывает образование завихрений.

Сила сопротивления воздуха зависит от величины лобовой, поверхности автомобиля, его формы, а также от скорости движе­ния. Лобовую площадь грузового автомобиля определяют как произведение колеи (расстояние между шинами) на высоту авто­мобиля. Сила сопротивления воздуха возрастает пропорционально квадрату скорости движения автомобиля (если скорость возра­стает в 2 раза, то сопротивление воздуха увеличивается в 4 раза).

Для улучшения обтекаемости и уменьшения сопротивления воздуха ветровое стекло автомобиля располагают наклонно, а вы­ступающие детали (фары, крылья, ручки дверей) устанавливают заподлицо с внешними очертаниями кузова. У грузовых автомоби­лей можно уменьшить силу сопротивления воздуха, закрыв грузо­вую платформу брезентом, натянутым между крышей кабины и задним бортом.

Читайте также:  Сапун на мост нива

Сила сопротивления качению

На каждое колесо ав­томобиля постоянно действует вертикальная нагрузка, которая вызывает вертикальную реакцию дороги. При движении автомобиля на него действует сила сопротивления качению, которая возникает вследствие деформации шин и дороги и трения шин о дорогу.

Сила сопротивления качению равна произведению полного веса автомобиля на коэффициент сопротивления качению шин, который зависит от давления воздуха в шинах и качества дорожного покрытия. Вот- некоторые значения коэффициента сопротивления качению шин:

  • для асфальтобетонного покрытия— 0,014—0,020
  • для гравийного покрытия—0,02—0,025
  • для песка—0,1—0,3

Сила сопротивления подъему

Автомобильная дорога состоит из чередующихся между собой подъемов и спусков и редко имеет горизонтальные участки большой длины.

При движении на подъем автомобиль испытывает дополнитель­ное сопротивление, которое зависит от угла наклона дороги к гори­зонту. Сопротивление подъему тем больше, чем больше вес автомо­биля и угол наклона дороги. При подъезде к подъему необходимо правильно оценить возможности преодоления подъема. Если подъем непродолжительный, его преодолевают с разгоном автомобиля перед подъемом. Если подъем продолжительный, его преодолевают на пониженной передаче, переключившись на нее у начала подъема.

При движении автомобиля на спуске сила сопротивления подъе­му направлена в сторону движения и является движущей силой.

Сила сопротивления разгону

Часть тяговой силы при разгоне затрачивается на ускорение вращающихся масс, главным образом маховика коленчатого вала двигателя и колес автомобиля. Для того чтобы автомобиль начал двигаться с определенной ско­ростью, ему необходимо преодолеть силу сопротивления разгону, равную произведению массы автомобиля на ускорение. При разгоне автомобиля сила сопротивления разгону направлена в сторону, об­ратную движению. При торможении автомобиля и замедлении его движения эта сила направлена в сторону движения автомобиля. Бывают случаи, когда при резком разгоне груз или пассажиры падают из открытого кузова, с сидений мотоцикла, а при резком торможении пассажиры ударяются о лобовое стекло или о перед­ний борт автомобиля. Для того чтобы таких случаев не было, необ­ходимо, плавно увеличивая частоту вращения коленчатого вала двигателя, преодолевать силу сопротивления разгону и плавно осу­ществлять торможение автомобиля.

Центр тяжести

На автомобиль, как и на любое другое тело, действует сила тяжести, направленная вертикально вниз. Центром тяжести автомобиля называют такую точку автомобиля, от которой вес автомобиля распределяется равномерно во всех направлениях. У автомобиля центр тяжести располагается между передней и зад­ней осью на высоте около 0,6 м для легковых и 0,7—1,0 м для гру­зовых. Чем ниже расположен центр тяжести, тем устойчивее авто­мобиль против опрокидывания. При загрузке автомобиля грузом центр тяжести поднимается у легковых автомобилей примерно на 0,3—0,4 м, а у грузовых на 0,5 м и более в зависимости от рода груза. При неравномерном укладывании груза центр тяжести может также сместиться вперед, назад или в сторону, при этом будут на­рушаться устойчивость автомобиля и легкость управления.

При движении автомобиля его колеса могут катиться в различных режимах: тяговом, ведомом и тормозном. При этих режимах качения со стороны дороги на колеса действуют силы, называемые реакциями. Для определения их величины рассмотрим качение колеса автомобиля по жесткой (недеформируемой) дороге. Схема сил, действующих в этом случае на ведущее колесо, представлена на рис. 3.5.

Какие силы действуют на колесо при движенииСилы Рх и Рz. и момент М’ действуют на колесо со стороны автомобиля. Силы R.x и Rz действуют на колесо со стороны дороги и представляют собой ее реакции.

Рассмотрим указанные силы и момент.

Рис. 3.5. Силы, действу­ющие на ведущее колесо при качении по недефор­мируемой дороге: О — центр колеса

Рz. — вертикальная нагрузка на колесо, направленная вниз перпендикулярно поверхности дороги.

Рх — продольная сила, параллельная поверхности дороги. В зависимости от режима качения колеса она может быть на­правлена как в сторону движения автомобиля, так и в противоположную.

M`— момент, подводимый к колесу от полуоси или тормозного барабана (тормозного диска). Иногда момент может быть равен нулю (не подводится к колeсу). Момент считается положительным, если его направление совпадает с направлением вращения колеса, и наоборот.

Rz — нормальная реакция дороги, направленная вверх перпенди­кулярно поверхности дороги. Точка приложения нормальной реак­ции смещена относительно оси колеса на некоторую величину аш из-за большей деформации шины в набегающей на дорогу части, чем в сбегающей с дороги. Это подтверждает эпюра элементарных сил, действующих в месте контакта колеса с дорогой, для кото­рых нормальная реакция является результирующей силой.

Rх — касательная реакция дороги. Это сила, которая действует в плоскости дороги и в зависимости от режима качения колеса может быть направлена в сторону движения автомобиля или в про­тивоположную. Касательная реакция считается положительной, если она направлена в сторону движения, и наоборот.

Составим уравнение моментов относительно оси колеса:

Какие силы действуют на колесо при движении(3.16)

где Jк — момент инерции колеса относительно оси вращения. Из выражения (3.16) находим касательную реакцию дороги:

Какие силы действуют на колесо при движении

Обозначим отношение Какие силы действуют на колесо при движении— символом ƒ и, выразив величину Какие силы действуют на колесо при движениис помощью формулы (3.15) через ускорение автомобиля j,для касательной реакции дороги получим в общем случае (при любых режимах качения колеса)

Какие силы действуют на колесо при движении(3.17)

Рассмотрим типичные режимы качения колеса.

Тяговый режим характерен для ведущего колеса. Момент М’ подводится к колесу через полуось, и направление момента со­впадает с направлением вращения колеса. В этом случае момент называется крутящим. Подставляя в выражение (3.17) вместо М’ выражение для крутящего момента Мк, подводимого к ведущим колесам, и учитывая соотношения (3.12) и (3.15), для ведущего колеса получим

Читайте также:  Не работает радио в автомагнитоле причины

Какие силы действуют на колесо при движении

Где Какие силы действуют на колесо при движении тяговая сила.

Для ведущего колеса касательная реакция Rх > 0. Следователь­но, она направлена в сторону движения, как показано на рис. 3.5.

Ведомый режим характерен для ведомого колеса. Момент М’ к колесу не подводится, и, следовательно, он равен нулю. Для ведомого колеса касательная реакция дороги

Какие силы действуют на колесо при движенииЗнак «-» показывает, что у ведомого колеса касательная реакция дороги направлена Тормозной режим является характерным для тормозящего колеса(ведущего, ведомого). Момент М’ подводится к колесу от тормозного барабана или тормозного диска и направление его противоположно направлению вращения колеса. В этом случае момент называется тормозным тор). Подставив в выражение (3.17) вместо М’ тормозной момент (М’ = -Mтор), для тормозящего колеса получи против движения (рис.3.6, а).

Какие силы действуют на колесо при движении

Рис. 3.6. Силы, действующие на ведомое (а )и тормозящее (б) колеса

при качении по недеформируемой дороге:

О — центр колеса

Какие силы действуют на колесо при движении

Знак «-» свидетельствует о том, что у тормозящего колеса касательная реакция дорога направлена против движения (рис. 3.6, б).

Силы, действующие на автомобиль

Автомобиль перемещается с определенной скоростью в результате действия на него движущих сил и сил, оказывающих сопротивление движению (рис. 1).

К силам, препятствующим движению автомобиля, относятся: силы сопротивления качению Рf , сопротивле­ние, создаваемое подъемом дороги Рa , сопротивление воздуха Pw , сопротивление сил инерции Рj . Для преодо­ления этих сил автомобиль оснащен источником энер­гии — двигателем. Возникающий в результате работы двигателя крутящий момент передается через силовую передачу и полуоси на ведущие колеса автомобиля. Их вращению препятствует сила трения, которая появляет­ся между колесами и поверхностью дороги.

Во время вращения ведущие колеса создают окруж­ные силы, которые действуют на дорогу, стремясь как бы оттолкнуть ее назад. Дорога, в свою очередь, ока­зывает равное противодействие (касательную реакцию) на колеса, что и вызывает движение автомобиля.

Силу, которая приводит автомобиль в движение, на­зывают силой тяги и обозначают Ph. Связь между этими величинами или предельное условие движения автомо­биля, при котором обеспечивается равновесие между силой тяги и силами сопротивления движения, можно выразить формулой

Pk = Pf±Pa+Pw + Pj.

Это уравнение называется уравнением тягового ба­лансаи позволяет установить, как тяговая сила распре­деляется по различным видам сопротивлений.

Сопротивление качению шины по дороге является следствием затрат энергии на гистерезисные (внутрен­ние) потери в шине и на образование колеи (внешние) потери. Кроме того, часть энергии теряется в результате поверхностного трения шин о дорогу, сопротивления в подшипниках ступиц ведомых колес и сопротивления воздуха ьращению колес. Ввиду сложности учета всех факторов сопротивление качению колес автомобиля оце­нивают по суммарным затратам, считая силу сопротив­ления качению внешней по отношению к автомобилю. При качении эластичного колеса по твердой дороге внешние потери незначительны. Слои нижней части ши­ны то сжимаются, то растягиваются. Между отдельны­ми частицами шины возникает трение, выделяется теп­ло, которое рассеивается, и работа, затрачиваемая на деформацию шины, не возвращается полностью при по­следующем восстановлении формы шины. При качении эластичного колеса деформации в передней части шины возрастают, а в задней — уменьшаются.

Когда жесткое колесо катится по мягкой деформи­руемой дороге (грунт, снег), потери на деформацию ши­ны практически отсутствуют и энергия затрачивается лишь на деформацию дороги. Колесо врезается в грунт, выдавливает его в сторону, спрессовывая отдельные частицы, образуя колею.

Когда же деформируемое колесо катится по мягкой дороге, энергия затрачивается на преодоление как внут­ренних, так и внешних потерь.

При качении упругого колеса по мягкой дороге де­формация его меньше, чем при качении по твердой до­роге, а деформация грунта меньше, чем при качении жесткого по тому же грунту.

Величина силы сопротивления качению может быть определена из формулы

Pf = Gf cos a,

Pf — сила сопротивления качению;

G — вес автомобиля;

а — угол, характеризующий крутизну подъема или спуска;

f — коэффициент сопротивления качению, кото­рый учитывает действие сил деформации шин и покрытия, а также трение между ними в различных дорожных условиях.

Величина коэффициента сопротивления качению ко­леблется от 0,012 (асфальтобетонное покрытие) до 0,3 (сухой песок).

Какие силы действуют на колесо при движении

Рис. 1. Силы, действующие на движущийся автомобиль

Сопротивление подъему. Автомобильные дороги со­стоят из чередующихся между собой подъемов и спусков и крайне редко имеют горизонтальные участки боль­шой длины. Крутизну подъема характеризуют величи­ной угла а (в градусах) или величиной уклона дороги t, представляющей собой отношение превышения Н к за­ложению В (см. рис. 1):

i=H/B = tg a.

Вес автомобиля G, движущегося на подъеме, можно разложить на две-составляющие силы: G sina, направ­ленную параллельно дороге, и Gcosa, перпендикулярную к дороге. Силу G sin a называют силой сопротивления подъему и обозначают Ра.

На автомобильных дорогах с твердым покрытием уг­лы подъема невелики и не превышают 4 — 5°. Для таких малых углов можно считать

sin а, тогда Ра — G sin а = Gi.

При движении на спуске сила Ра имеет противопо­ложное направление и действует как движущая сила. Угол а и уклон i считают положительными на подъе­ме и отрицательными при движении на спуске.

У современных автомобильных дорог нет четко вы­раженных участков с постоянным уклоном; их продоль­ный профиль имеет плавные очертания. На таких доро­гах уклон и сила Р непрерывно меняются в процессе движения автомобиля.

Сопротивление неровностей.Ни одно дорожное по­крытие не является абсолютно ровным. Даже новые цементобетонные и асфальтобетонные покрытия имеют неровности высотой до 1 см. Под действием динамиче­ских нагрузок неровности быстро увеличиваются, умень­шая скорость автомобиля, сокращая срок его службы и увеличивая расход топлива. Неровности создают до­полнительное сопротивление движению.

Читайте также:  Как снять левый воздуховод ваз 2107

При попадании колеса в длинную впадину оно уда­ряется о ее дно и подбрасывается вверх. После сильно­го удара колесо может отделиться от покрытия и снова удариться (уже с меньшей высоты), совершая затухаю­щие колебания. Переезд через короткие впадины и вы­ступы сопряжен с дополнительной деформацией шины под действием силы, возникающей при ударе о выступ неровности. Таким образом, движение автомобиля по неровностям дороги сопровождается непрерывными уда­рами колес и колебаниями осей и кузова. В результате происходит дополнительное рассеивание энергии в шине и деталях подвески, достигающее иногда значительных величин.

Дополнительное сопротивление, вызываемое неров­костями дороги, учитывают, условно увеличивая коэф­фициент сопротивления качению.

Величины коэффициента сопротивления качению f и уклона i в совокупности характеризуют качество дороги. Поэтому часто говорят о силе сопротивления дороги Р, равной сумме сил Рf и Ра:

Р = Pf -f Ра = G (f cos а -f sin а)

Выражение, стоящее в скобках, называют коэффи­циентом сопротивления дорогии обозначают буквой Ф. Тогда сила сопротивления дороги

Р = G (f cos a -f sin а) = G ф.

Сопротивление воздуха.При движении автомобиля на него оказывает сопротивление и воздушная среда. Затраты мощности на преодоление сопротивления воз­духа складываются из следующих величин:

— лобового сопротивления, появляющегося в резуль­тате разности давлений спереди и сзади движущегося автомобиля (около 55 — 60% всего сопротивления воз­духа);

— сопротивления, создаваемого выступающими час­тями: подножками, крыльями, номерным знаком (12 — 18%);

— сопротивления, возникающего при прохождении воздуха через радиатор и подкапотное пространство (10-15%);

— трения наружных поверхностей о близлежащие слои воздуха (8 — 10%);

— сопротивления, вызванного разностью давлений сверху и снизу автомобиля (5 — 8%).

При увеличении скорости движения увеличивается и сопротивление воздуха.

Прицепы вызывают увеличение силы сопротивления воздуха вследствие значительного завихрения воздуш­ных потоков между тягачом и прицепом, а также из-за увеличения наружной поверхности трения. В среднем можно принять, что применение каждого прицепа уве­личивает это сопротивление на 25% по сравнению с одиночным автомобилем.

Кроме сил сопротивления дороги и воздуха влияние на движение автомобиля оказывают силы инерции Р). Всякое изменение скорости движения сопровождается преодолением силы инерции, и ее величина тем больше, чем больше обитая м,аееа автомобиля:

P=G*j/g

Время равномерного движения автомобиля обычно мало по сравнению с общим временем его работы. Так, например, при работе в городах автомобили движутся равномерно 15 — 25% времени. От 30% до 45% времени занимает ускоренное движение автомобиля и 30 — 40% — движение накатом и торможение. При трогании с мес­та и увеличении скорости автомобиль движется с уско­рением — его скорость при этом неравномерна. Чем быстрее автомобиль увеличивает скорость, тем больше ускорение автомобиля. Ускорение показывает, как за каждую секунду возрастает скорость автомобиля. Прак­тически ускорение автомобиля достигает 1 — 2 м/с2. Это значит, что за каждую секунду скорость будет возрас­тать на 1 — 2 м/с.

Сила инерции изменяется в процессе движения ав­томобиля в соответствии с изменением ускорения. Для преодоления силы инерции расходуется часть тяговой силы. Однако в тех случаях, когда автомобиль движет­ся накатом после предварительного разгона или при торможении, сила инерции действует по направлению движения автомобиля, выполняя роль движущей силы. Принимая это во внимание, некоторые труднопроходи­мые участки пути можно преодолевать с предваритель­ным разгоном автомобиля.

Величина силы сопротивления разгону зависит от ускорения движения. Чем быстрее разгоняется автомо­биль, тем большей становится эта сила. Ее величина меняется даже при трогании с места. Если автомобиль трогается плавно, то сила эта почти отсутствует, а при резком трогании она может даже превысить тяговую силу. Это приведет или к остановке автомобиля, или к буксованию колес (в случае недостаточной величины коэффициента сцепления).

В процессе работы автомобиля непрерывно меняют­ся условия движения: тип и состояние покрытия, вели­чина и направление уклонов, сила и направление ветра. Это приводит к изменению скорости автомобиля. Даже в наиболее благоприятных условиях (движение по усо­вершенствованным автомагистралям вне городов и населенных пунктов) скорость автомобиля и тяговая сила редко остаются неизменными в, течение продолжитель­ного времени. На средней .скорости движения (опреде­ляемой как отношение пройденного пути ко времени, затраченному на прохождение этого пути с учетом вре­мени остановок в пути) сказывается помимо сил сопро­тивления влияние весьма большого количества факто­ров. К ним относятся: ширина проезжей части, интен­сивность движения, освещенность дороги, метеорологи­ческие условия (туман, дождь), наличие опасных зон (железнодорожные переезды, скопление пешеходов), со­стояние автомобиля и т. д.

В сложных дорожных условиях может случиться так, что сумма всех сил сопротивления превысит тяго­вую силу, тогда движение автомобиля будет замедлен­ным и он может остановиться, если водитель не примет необходимых мер.

Сцепление колеса автомобиля с дорогой

Для того чтобы неподвижный автомобиль привести в движение, одной силы тяги недостаточно. Необходи­мо еще трение между колесами и дорогой. Иначе гово­ря, автомобиль может двигаться лишь при условии сцеп­ления ведущих колес с поверхностью дороги. В свою очередь, сила сцепления зависит от сцепного веса авто­мобиля Gv, т. е. вертикальной нагрузки на ведущие ко­леса. Чем больше вертикальная нагрузка, тем больше сила сцепления:

Pсц = ФGk,

где Pсц — сила сцепления колес с дорогой, кгс; Ф — коэффициент сцепления; GK — сцепной вес, кгс. Условие движения без буксования колес

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Добавить комментарий

19 + 12 =