Сила трения колеса машины

6 августа 2019 0 Автор

Реализация силы тяги Т ведущим колесом зависит от значения трения между шиной колеса и поверхностью дороги:

где фт коэффициент трения протектора шины по дорожной поверхности; QK, — нагрузка на колесо автомобиля.

Сила трения при торможении колеса может быть определена через площадь контакта шины с покрытием:

где Т — сила трения колеса с покрытием;

S — площадь контакта колеса с покрытием;

фт — коэффициент трения протектора шины с покрытием;

Кж — коэффициент жесткости шины; рв — давление воздуха в шине.

В дорожной практике вместо понятия силы сцепления применяют понятие коэффициента сцепления:

Коэффициентом сцепления называют отношение реактивной силы, действующей на колесо автомобиля в плоскости его контакта с покрытием, к вертикальной нагрузке, передаваемой колесом на покрытие. По физической сущности коэффициент сцепления представляет собой коэффициент трения пары резина протектора автомобильной шины — покрытие проезжей части дороги.

Отличие этих довольно близких понятий состоит в соотношении адгезионной (Та) и гистерезисной (Td), или деформационной, долей, силы трения — сцепления (рис. 10.7).

Рис. 10.7. Зависимость адгезионной а) и деформационной (Td) долей силы трения (Т) от шероховатости покрытия: а — на сухом покрытии; б — на мокром покрытии; 2 — высота выступов шероховатости

Адгезионные силы — это силы слипания (склеивания) поверхностей двух разнородных твердых тел, в данном случае поверхности шины колеса и дорожного покрытия.

Адгезионная составляющая является результатом молекулярного взаимодействия контактирующих материалов. Ее значение зависит от материала дорожного покрытия (например, асфальтобетон или цементобетон) и продолжительность контакта (т.е. скорости движения взаимодействующей пары относительно друг друга).

Деформационная составляющая формируется в результате затрат энергии на взаимную деформацию контактирующих тел выступами неровностей, находящимися на их поверхности. На сухих дорожных покрытиях сила трения в контакте шины формируется в основном за счет молекулярной составляющей. На покрытиях, имеющих на своей поверхности пленку воды, автомобильного масла или топлива, пыли, сила трения в основном формируется ее деформационной составляющей. Молекулярная составляющая появляется только после разрыва пленки смазки неровностями на поверхности контактирующих тел и вступления их в непосредственное соприкосновение.

При скольжении одного гладкого твердого тела по другому основную роль играют адгезионные силы, т.е. собственно трение. При движении эластичной шины по дорожному покрытию характер взаимодействия меняется. Дорожная поверхность всегда имеет шероховатости и поэтому доля гистерезисной (деформационной) составляющей значительно больше, чем адгезионной. Такое взаимодействие характеризуется силой сцепления [4].

Коэффициент сцепления зависит от многих факторов:

  • • свойств покрытия — микро- и макрошероховатости, качества каменных и вяжущих материалов, качества работ по устройству покрытия, ровности покрытия, однородности свойств покрытия, температуры материала;
  • • свойств автомобиля — системы тормозов, размеров колес, вида и степени изношенности протектора, давления воздуха вшинах;
  • • условий взаимодействия — скорости движения, режима движения (разгон, торможение), температуры воздуха, силы ветра, наличия на покрытии влаги, воды, льда, снега.

Наибольшее влияние на коэффициент сцепления оказывают тип, ровность и состояние поверхности покрытия, а также скорость движения.

При движении автомобиля по неровной поверхности с возрастанием скорости деформация шины происходит не полностью.

Если принять коэффициент сцепления ф при высокой ровности за 100%, то при увеличении неровности покрытий Sc сцепление снижается:

Изменение направления движения любого тела можно достичь только приложением к нему внешних сил. При движении транспортного средства на него действует множество сил, при этом шины выполняют важные функции: каждое изменение направления или скорости движения транспортного средства вызывает появление в шине действующих сил.

Шина – это элемент связи между транспортным средством и проезжей частью. Именно в месте контакта шины с дорогой решается главный вопрос безопасности движения транспортного средства. Через шину передаются все силы и моменты, возникающие при разгоне и торможении автомобиля, при изменении направления его движения.

Шина воспринимает действия боковых сил, удерживая автомобиль на выбранной водителем траектории движения. Поэтому физические условия сцепления шины с поверхностью дороги определяют границы динамических нагрузок, действующих на транспортное средство.

Рис. 01: Посадка бескамерной шины на ободе;
1. Обод; 2. Подкат (Хамп) на поверхности посадки борта шины; 3. Борт обода; 4. Каркас шины; 5. воздухонепроницаемый внутренний слой; 6. Брекерный пояс; 7. Протектор; 8. Боковина шины; 9. Борт шины; 10. Сердечник борта; 11. Вентиль

Решающие критерии оценки:
-Обеспечение устойчивого прямолинейного движения при действии на автомобиль боковых сил
-Обеспечение устойчивого движения на поворотах Обеспечение сцепления на различных поверхностях проезжей части Обеспечение сцепления с дорогой при различных погодных условиях
-Обеспечение хорошей управляемости автомобиля Обеспечение комфортных условий движения (гашение колебаний, обеспечение плавности хода , минимальная шумность качения)
-Прочность, износостойкость, высокий срок службы
-Невысокая цена
-Минимальный риск повреждения шины при её пробуксовке

Проскальзывание шины

Проскальзывание шины или её буксование происходит из разницы между теоретической скоростью движения, обусловленной вращением колеса, и действительной скоростью движения, обеспечиваемой силами сцепления колеса с дорогой

Рис.02: Пример движения шины без проскальзывания (а) и с проскальзыванием (b);

Посредством приведенного примера можно пояснить это утверждение: пусть длина окружности по внешней беговой поверхности шины легкового автомобиля составляет около 1,5 м. Если при движении автомобиля колесо поворачивается вокруг оси вращения 10 раз, то пройденный автомобилем путь должен составить 15 м. Если же происходит проскальзывание шины, то пройденный автомобилем путь становится короче Закон инерции Каждое физическое тело стремится либо сохранять состояние покоя, либо сохранять состояние прямолинейного движения.

Чтобы вывести физическое тело из состояния покоя или отклонить его от прямолинейного движения к телу должна быть приложена внешняя сила. Изменение скорости движения, как во время разгона автомобиля, так и при торможении потребует соответствующего приложения внешних сил. Если водитель пытается тормозить на повороте на покрытой льдом поверхности дороги, автомобиль будет стремиться двигаться прямо без явно выраженного стремления изменить скорость движения, при этом реакция на поворот рулевого колеса будет слишком вялой.

Читайте также:  Помощь при трогании на подъеме веста

На обледенелой поверхности через колеса автомобиля может передаваться только маленькие силы торможения и боковые усилия, поэтому вождение автомобиля на скользкой дороге является непростой задачей. Моменты сил При вращательном движении на тело действуют или оказывают влияние моменты сил.

В режиме движения колеса вращаются вокруг своих осей, преодолевая моменты инерции покоя. Момент инерции колес возрастает с увеличением скорости его вращения и вместе с тем, скоростью движения автомобиля. Если транспортное средство находится одной стороной на скользкой проезжей части (например, обледенелой поверхности дороги), а другая сторона на дороге с нормальным коэффициентом сцепления (неоднородный коэффициент сцепления μ), то при торможении автомобиль получает вращательное движение вокруг вертикальной оси. Это вращательное движение называют моментом рысканья

Рис. 03: Возникновение момента рысканья при торможении или разгоне на участке дороги с различным коэффициентом продольного сцепления μHF;

Распределение сил наряду с весом тела (силой тяжести) на автомобиль действуют различные внешние силы, величина и направление которых зависит от режима и направления движения транспортно-го средства. При этом речь идет о следующих параметрах:

 Силах, действующих в продольном направлении, (например, силе тяги, силе сопротивления воздуха или силе трения качения)

 Силах, действующих в поперечном направлении, (например, усилие, прилагаемое к управляемым колесам автомобиля, центробежной силе при движении на повороте, или силе действия бокового ветре или силе, возникающей при движении на косо-горе).

Эти силы принято обозначать, как силы бокового увода автомобиля. Силы, действующие в продольном или поперечном направлении, передаются на шины, и через них на проезжую часть дороги в вертикальном или горизонтальном направлении, вызывая деформацию шины в про-дольном или поперечном направлении.

Рис. 04: Горизонтальная проекция угла бокового увода α и влияние бокового усилия Fs; vn = Скорость в направлении бокового увода vx = Скорость в продольном направлении Fs, Fy = Боковые усилия α = Угол бокового увода

Эти силы передаются на корпус авто-мобиля через:
 шасси автомобиля (так называемые ветровые силы)
 органы управления (рулевая сила)
 двигатель и агрегаты трансмиссии (движущая сила)
 тормозные механизмы (тормозные силы)
В противоположном направлении эти силы действуют со стороны дорожной поверхности на шины, передаваясь затем на транспортное средство. Это связано с тем, что: любая сила вызывает противодействие

Рис. 05: Скорость колеса vx в продоль-ном направлении, тормозная сила FB и тормозной момент MB; vx = Скорость колеса в продольном направлении FN = Вертикальная сила (нормальная реакция опоры) FB = Тормозная сила
MB = Тормозной момент

Для обеспечения движения тяговая сила, передаваемая на колесо посредством крутящего момента, создаваемого двигателем, должна превосходить все внешние силы сопротивления (продольные и поперечные силы), которые возникают, например, при движении автомобиля по дороге с поперечным уклоном.

Для оценки динамики движения, а также устойчивости движения транс-портного средства должны быть известны силы, действующие между шиной и дорожным полотном в так называемом пятне контакта шины с дорогой. Внешние силы, действующие в площадке соприкосновения шины с дорогой, передаются через колесо на транспортное средство. С увеличением практики вождения водитель все лучше и лучше учится реагировать на эти силы.

По мере приобретения опыта вождения, у водителя все отчетливее возникают ощущения сил действующих в пятне контакта шины с дорогой. Величина и направление внешних сил зависит от интенсивности разгона и торможения автомобиля, при действии боковых сил от ветра, или при движении по дороге с поперечным уклоном. Особняком стоит опыт вождения по скользким дорогам, когда чрезмерное воздействие на органы управления могут сорвать шины автомобиля в скольжение.

Но самое главное это то, что водитель обучается правильным и дозированным действиям органами управления, которые препятствуют возникновению неуправляемого движения. Неумелые действия водителя при высокой мощности двигателя особенно опасны, так как силы, действующие в пятне контакта, могут превысить допустимый предел по сцеплению, что может вызвать занос автомобиля или полную потерю управляемости, и повышает износ шин.

Силы в пятне контакта шины с дорогой Только строго дозированные силы в пятне контакта колеса с дорогой способны обеспечить соответствующие желанию водителя скорость и изменение направления движения. Суммарная сила в пятне контакта шины с дорогой складывается из следующих составляющих её сил:

Касательная сила, направленная по окружности шины Касательная сила Fμ возникает в результате передачи крутящего момента приводным механизмом или при торможении автомобиля. Она действует в продольном направлении на поверхность дороги (продольная сила) и дает возможность водителю произвести разгон при воздействии на педаль газа или обеспечить замедление движения при его воздействии на педаль тормоза.

Вертикальная сила (нормальная реакция опоры) Вертикальная сила между шиной и поверхностью дороги обозначается как радиально направленная сила, или как нормальная реакция опоры FN. Вертикальная сила между шиной и поверхностью дороги присутствует всегда, как при движении транспортного средства, так и при его неподвижности. Вертикальная сила, действующая на опорную поверхность, определяется частью веса автомобиля, приходящегося на это колесо, плюс дополнительная вертикальная сила, возникающая в результате перераспределения веса при разгоне, торможении или движении в повороте.

Вертикальная сила увеличивается или уменьшается при движении автомобиля на подъем или под уклон, при этом увеличение или уменьшение вертикальной силы зависит от направления движения автомобиля. Нормальная реакция опоры определяется при неподвижном положении транспортного средства, установленного на горизонтальной поверхности.

Дополнительные силы могут увеличить или уменьшить значение вертикальной силы между колесом и поверхностью дороги (нормальной реакции опоры). Так при движении не повороте дополнительная сила уменьшает вертикальную составляющую на внутренних к центру поворота колесах и увеличивает вертикальную составляющую на колесах внешней стороны транспортного средства.

Площадка контакта шины с поверхностью дороги деформируется прилагаемой к колесу вертикальной силой. Так как боковины шины подвергаются соответствующей деформации, вертикальная сила не может распределяться равномерно по всей площади пятна контакта, а возникает трапецевидное распределение давления шины на опорную поверхность. Боковины шины принимают на себя внешние силы, и шина деформируется в зависимости от величины и направления внешней нагрузки.

Читайте также:  Колесные диски лада калина

Боковая сила

Боковые силы оказывают действие на колесо, например, при действии бокового ветра, или при движении автомобиля на повороте. Управляемые колеса движущегося автомобиля при их отклонении от прямолинейного положения также подвергаются действию боковой силы. Боковые силы вызывает измерение направления движения транспортного средства.

Рис. 07: Деформация шины, вызванная радиальной силой FN, направленная перпендикулярно к плоскости обода, в сочетании с боковой силой Fs, приложенной в
поперечном к шине направлении (вид спереди);
FN = Вертикальная сила (нормальная реакция опоры)
Fs = Боковая сила

Тормозной момент

При торможении фрикционные накладки тормозной колодки прижимаются к поверхности тормозного диска или тормозного барабана. При этом возникают силы трения, величина которых зависит от силы нажатия водителем на тормозную педаль.
Произведение силы трения на плечо приложения этой силы в итоге дают тормозной момент MB.
Эффективный момент, возникающий в процессе торможения, действует в пятне контакта колеса с дорогой.

Сила трения и коэффициент сцепления

Тормозная сила FB возникает между шиной и поверхностью дороги в результате приложения к колесу тормозного момента.Величину приложенной к поверхности дороги тормозной силы, обозначают как силу трения FR. Сила трения FR зависит от вертикальной силы FN и выражается следующим соотношением: FR = μHF*FN

Фактор μHF называется коэффициентом сцепления шины с поверхностью дороги или, для лучшего восприятия, коэффициентом силы трения.Он характеризует свойства различных соприкасающихся поверхностей, и, в нашем случае, зависит от состояния покрытия проезжей части дороги и особенностей конструкции шины.Коэффициент сцепления является мерой прилагаемой к поверхности дороги тормозной силы.

Он зависит:
 от состояния проезжей части
 от состояния шин
 от скорости движения
 от погодных условий

От величины коэффициента сцепления зависит, какой тормозной момент может быть приложен в данных дорожных условиях и режиме движения.Для автомобильной шины максимальное значение коэффициента сцепления достигается при движении по сухой и чистой проезжей части, а самое низкое значение – на подтаявшем льду.

Наличие влаги или грязи на поверхности дороги снижает коэффициент сцепления.Кроме того, на влажной поверхности дороги коэффициент сцепления сильно зависит от скорости движения транспортного средства.
Чрезмерное усилие, прилагаемое к тормозной педали при высокой скорости движения и соответствующих дорожных условиях, может привести к блокировке колес, если сила трения между шиной и проезжей части, обусловленная коэффициентом сцепления, окажется меньше тормозной силы.

Если колесо автомобиля заблокировано, то оно оказывается не способным передавать никакие боковые силы, поэтому транспортное средство становится неуправляемым

Все современные колесные экипажи, и прежде всего автомобили, имеют колеса на шарикоподшипниках. Какой выигрыш это дает?

Нагруженный легковой автомобиль «Волга» весит около двух тонн. Каждый шофер знает, что, если на ровном асфальтовом шоссе у него отказал двигатель, один человек в состоянии сдвинуть «Волгу» с проезжей части на обочину. Шофер знает и другое: самое трудное столкнуть машину с места. А уж после того как она пришла в движение, поддерживать ее можно даже одной рукой.

Но на что же затрачивается сила давления руки на машину, если, по нашему собственному утверждению, используя колесо с шарикоподшипником, мы полностью избавились от трения скольжения?

Настала пора рассмотреть еще один вид трения — трение качения.

Начнем с того, что, когда идеальная окружность катится по идеальной плоскости, никакого трения, в том числе и трения качения, нет. Но беда в том, что на свете не бывает ни идеальных плоскостей, ни идеальных окружностей.

Мы уже много раз говорили, что любая реальная поверхность содержит неровности: бугорки и впадины. Поэтому, если даже колесо представляет собой идеальную окружность, точнее, идеальный цилиндр, все равно, катясь по реальной поверхности, колесо то взбирается на бугорки, то проваливается во впадины.

Подъем на бугорки сопровождается подъемом и колеса, и телеги, и положенного на телегу груза. Ну, а на подъем груза, конечно же, нужно затрачивать силу. Эта сила и проявляется как сопротивление движению, получившее в технике название трения качения. Чем больший груз давит на колеса, тем больше сила сопротивления. Поэтому, как и в случае с трением скольжения, сила трения качения пропорциональна весу груза.


Можно ли избавиться от трения качения или хотя бы сделать его меньше? Самый верный способ вы уже знаете. Надо изготовлять колеса в виде идеальных цилиндров и катить их по дороге, представляющей собой абсолютно гладкую горизонтальную поверхность. Примерно так и поступают при изготовлении шарикоподшипников.

В шарикоподшипнике единственным видом трения остается трение качения. Чтобы сделать его меньше, поверхности, по которым катятся шарики, и сами шарики полируют. Используют также смазку, которая заполняет микроскопические впадины между бугорками. Благодаря этому в шарикоподшипниках силу трения качения удается почти свести к нулю. Каждый велосипедист знает, как долго продолжает вращаться по инерции колесо велосипеда, если хорошенько его раскрутить. Причина здесь именно в том, что во втулке велосипедного колеса установлены шарикоподшипники.

Ну, а как быть с трением качения внешней поверхности колеса о дорогу? Снова нам приходит на ум все тот же рецепт: отполировать дорогу, и снова приходится с сожалением от него отказаться. Правда, не до конца. Конечно, при езде по гладкой дороге трение качения меньше, поэтому современные автострады, как правило, покрывают асфальтом.

Но гладкость хороша лишь до определенного предела. На абсолютно гладкой дороге автомобиль нельзя столкнуть с места — ноги станут скользить по дороге. Конечно, исправный автомобиль не надо толкать, упираясь ногами в дорогу. Автомобиль движется, отталкиваясь от дороги теми же колесами, — у нас еще будет случай поговорить об этом. Но и колесами тоже не оттолкнешься от абсолютно гладкой поверхности.

Читайте также:  Замена ремкомплекта кулисы приора

Пожалуй, самые ровные дороги на свете — железнодорожные рельсы. Поверхность их делается гладкой еще на заводе. Затем она дополнительно полируется, когда по рельсам движутся локомотивы и вагоны. Недаром рельсы всегда блестят. Гладкая поверхность рельсов делается именно для того, чтобы свести к минимуму трение качения. Железнодорожный вагон с грузом в шестьдесят тонн, если его предварительно как следует разогнать, могут толкать по горизонтальному пути всего человек пять. Состав из ста таких вагонов легко тянет один локомотив.

Но хуже обстоит дело, когда железнодорожный состав нужно стронуть с места. Бывает так, что колеса локомотива вращаются, а сам локомотив стоит на месте. В этом случае говорят, что колеса пробуксовывают. Благодаря гладкости рельсов мы получаем малое трение качения, но и сила трения скольжения, которая в данном случае помогает локомотиву оттолкнуться от рельсов, оказывается недостаточной, чтобы сдвинуть состав с места.

В таких случаях под колеса локомотива посыпают песок. Песок увеличивает неровности на поверхности рельсов и, соответственно, увеличивает силу трения скольжения. И все же количество вагонов, которые можно подцепить к одному локомотиву, ограничивается в первую очередь величиной силы трения скольжения, или, как говорят железнодорожники, сцеплением колес локомотива с рельсами.

По тем же соображениям в состав асфальтовой массы, покрывающей автострады, обычно добавляют все тот же песок. Поэтому сила трения скольжения между колесами автомобиля и покрытием дороги оказывается достаточно большой. В сухую погоду автомобиль легко разогнать с места и легко остановить. Но совсем иначе ведет себя автомобиль на мокром после дождя шоссе. А вот если водяная пленка на шоссе к тому же еще подмерзнет. Нет у шоферов большего врага, чем гололед на дорогах.

Есть еще один способ уменьшить величину силы трения качения. Способ этот очень прост и состоит в том, чтобы увеличивать внешний диаметр колеса. Что при этом получается, достаточно хорошо видно из рисунка.

Художник изобразил два соседних бугорка на дороге и два колеса — маленькое и большое. Маленькое колесо почти целиком помещается между выступами. Чтобы двигаться вперед, ему надо подняться на всю высоту бугорка. Большое колесо просто перекатывается с вершины одного бугорка на вершину другого.


Ясно, что сопротивление движению во втором случае будет меньше. Именно по этой причине, если вы разгонитесь до одной и той же скорости по одной и той же дороге на велосипеде и на роликовых коньках, а потом станете двигаться но инерции, то на велосипеде вы продвинетесь на значительно большее расстояние. По этой же причине диаметр колес у велосипеда больше, чем у легкового автомобиля. Велосипед мы приводим в движение собственной силой, и конструкторы стремятся как только можно облегчить наш труд. Автомобиль двигают «лошадиные силы> мотора, и можно позволить какую-то небольшую их часть затратить на преодоление силы трения качения.

Но почему бы и у автомобиля не делать колеса большого диаметра? Хотя бы для того, чтобы экономить горючее?

Кстати говоря, у самых первых моделей автомобиля колеса были больше, чем у их нынешних потомков.

Оказывается, делать слишком большие колеса тоже нельзя. Во-первых, большое колесо больше весит. Вспомним, что в общем случае объем, а следовательно, масса и вес цилиндра увеличиваются как куб его радиуса. Поэтому если сделать слишком большое колесо, то выигрыш за счет увеличения радиуса компенсируется проигрышем за счет увеличения веса. Особенно у экипажей, предназначенных для перевозки малых грузов.

Вы, конечно, обращали внимание, что у грузовых автомобилей внешний радиус колес тем больше, чем на больший груз они рассчитаны. Для того чтобы большие колеса велосипеда весили поменьше, их делают не сплошными, а на очень тонких спицах (колеса со спицами были и у старых моделей автомобилей).

Есть еще одно соображение, по которому и диаметр и массу колеса нельзя делать очень большими. Это все та же инерция. Тяжелое колесо большого диаметра труднее разогнать и, соответственно, труднее остановить. Последнее особенно страшно, когда надо затормозить внезапно. Кроме того, чем быстрее вращается колесо, тем в большей степени сказывается его инерция. В частности, поэтому с увеличением максимальной скорости автомобилей стали уменьшать радиус их колес.

И, наконец, последнее замечание. Даже на совершенно гладкой дороге не так просто получить небольшую величину силы трения качения. Многое зависит и от материала дороги. Что происходит, например, когда автомобиль движется по песку? Поверхность песка можно разровнять и сделать достаточно гладкой. Но под действием веса экипажа колеса проваливаются в песок. Получается то же самое, как если бы колесо оказалось между двумя бугорками на неровной дороге.

Колеса локомотива или железнодорожного вагона давят на рельсы, и рельсы слегка прогибаются. Правда, в отличие от песка рельсы испытывают упругую деформацию и расправляются после того, как вагон проезжает. Но все равно получается так, что, даже двигаясь по горизонтальному рельсовому пути, колеса вагонов все время как бы взбираются в гору.


Основной вывод, который мы можем сделать из всего сказанного, таков: полностью избавиться от силы трения качения нельзя. Именно поэтому, чтобы поддерживать постоянной скорость прямолинейного равномерного движения железнодорожного вагона по горизонтальному гладкому рельсовому пути, все же требуется усилие пяти, а то и более человек.

Чтобы читатель не разочаровался в колесах, попросим его подсчитать в уме, сколько человек понадобилось бы, чтобы груз в шестьдесят тонн нести на плечах.