Реакции действующие в контакте колеса с твёрдой опорной поверхностью.

Как и всё в мире, качение колеса подчиняется законам физики. Следуя из этого можно сделать вывод, что в точке соприкосновения колеса с твёрдой опорной поверхностью возникают некие реакции, которые существенно влияют на поведение автомобиля. Эти реакции подробно описываются в государственном стандарте. Все описанные ниже силы, проиллюстрированы на рисунке (НОМЕР).

    Нормальная реакция опорной поверхности – называется геометрическая сумма элементарных реакций, которые нормальны к твёрдой опорной поверхности, приложенная к колесу со стороны опорной поверхности. На чертежах принято сокращённо обозначать как R z.

    Продольная реакция опорной поверхности – равнодействующая элементарных реакций, перпендикулярных к поперечной плоскости колеса и приложенных к нему со стороны опорной поверхности. Обозначается Rx.

    Боковая реакция опорной поверхности– равнодействующая приложенных под прямым углом к продольной плоскости автомобильного колеса элементарных реакций, действующая на это колесо от опорной поверхности. Сокращённо Ry.

    Результирующая реакция в опорной плоскости – геометрическая сумма продольной и боковой реакций опорной поверхности. Выглядит как формула суммы R ∑ =Rx+Ry.

Однако, стоит понимать, что так, как приложены реакции на рисунках, это лишь схематичное изображение применимое при идеально ровном и равномерном движении автомобиля, по идеально ровной поверхности без сил сопротивления этому движению. На деле же, на автомобиль влияет огромное количество факторов и сил препятствующих равномерному движению автомобиля, будь то боковой ветер или ухабы дороги. Для более точных вычислений используют такое понятие как снос реакции. Так как основных реакций в точке соприкосновения колеса с твердой опорной поверхностью всего четыре, то можно точно сказать, что и сносов этих реакций тоже будет четыре.

    Продольный снос нормальной реакции (b) – расстояние от линии действия нормальной реакции поверхности опоры колеса, до плоскости, являющейся для колеса центральной.

    Поперечный снос нормальной реакции – расстояние от линии действия нормальной реакции опорной поверхности, до линии пересечения опорной плоскости с центральной плоскостью вращения колеса.

    Снос продольной реакции – расстояние от действия продольной реакции опоры, до линии пересечения центральной плоскости вращения колеса, с опорной плоскостью.

    Снос боковой реакции – расстояние от линии действия боковой реакции до, центральной поперечной плоскости колеса.

Наличие реакций означает, что мы можем вывести некоторые удельные силовые коэффициенты справедливые для точки опоры колеса. Например зная площадь пятна контакта и значение нормальной реакции опорной поверхности, с помощью их отношения можно найти среднее давление колеса в точке контакта. Формула для нахождения записывается как , при необходимости нахождения среднего давления по выступам рисунка проектора шины, необходимо заменить в числители первой формулы площадь пятна контакта на площадь контакта по выступам рисунка протектора, тем самым получив формулу Pв= . Мало того, данные реакции позволяют нам вывести важнейший коэффициент, коэффициент сцепление колеса с дорогой. Находится он по отношению ɸ= .

    3.2 Углы установки упругого колеса.

    3.2.1 α (Развал колеса)

Основная тема моей работы касается конкретно наклона колеса, так называемого «развала». Это один из основных параметров настройки подвески автомобиля, которым можно в корне влиять на управляемость ТС. Развал бывает отрицательным, положительным и нулевым. Современная тенденция автопроизводителей делать развал отрицательным и нулевым. Редким исключением является грузовик Tatra T815.

Такая конструкция была обусловлена не только конструкцией рамы и подвески, но и позволяла при полной загрузке добиваться нужного выравнивания колёс.

В гражданском транспорте инженеры стараются не выходить за отрицательный угол в 0.5 градуса, так как это оптимальный для характеристик и износа колёсных шин параметр, однако автоспортсмены, не так боящиеся стирания покрышек, в угоду результата могут «задирать» колёса даже до -5.5 градусов. Такие экстремальные значения настроек позволяют добиться нужного поведения автомобилей в повороте. Развал колёс положительно влияет на уменьшение сопротивления повороту управляемых колёс, путём уменьшения плеча обкатки, способствует предотвращению виляния управляемого колеса при износе подшипника ступицы и появляющемуся в следствии этого зазора (колесо прижимается ко внутреннему подшипнику ступицы).

Однако стоит помнить, что проводить эксперименты с развалом нужно очень аккуратно, так как по мимо положительных качеств, отрицательный развал так же имеет ряд недостатков, особенно если пытаться делать его, не понимая на что он влияет. Так излишний развал влияет на повышенный износ внутренний кромки шины, уменьшает пятно контакта, что естественно уменьшает коэффициент сцепления с дорогой, а так же негативно влияет на прямолинейное движение автомобиля. Для компенсации негативных качеств развала, производители экспериментируют с такими настройками как продольный и поперечный угол установки колёс.

Из всего вышесказанного, можно сделать вывод, что грамотно оперируя этим основным параметром настройки подвески, можно добиться улучшения управляемости автомобиля, снизить нагрузку на рулевое управление и ступичные подшипники, однако если делать это в пределах допустимых значений. Делать развал более полутора градусов имеет смысл разве что в автоспорте, в гражданских условиях без жёстких нагрузок на автомобиль это вряд ли имеет смысл.

3.2.2 β (Поперечный угол наклона колеса)

Прямолинейное качение наклонённого отрицательным развалом колеса сопровождается круговоротом мощности между плоскостями шины имеющими разные радиусы и дорогой. По законам теоретической механики, так как плоскости сечения шины имеют разные радиусы, то плоскость с большим радиусом будет иметь большую линейную скорость и будет стремится к пробуксовке, станет ведущим по отношению к плоскости с меньшим сечением, которое будет вращаться с меньшей скоростью и будет проскальзывать по дороге. Следуя из этого можно сделать вывод, что если такое сечение колеса является ведомым, а следовательно в меньшем сечении будут создаваться намного большие по силе противодействующие движению реакции, нежели в сечениях с большим радиусом.

Исследования показывают, что отрицательные (противодействующие движению) реакции при отрицательном развале, превышают положительные, в следствии чего геометрическая их сумма направлена в сторону обратную направлению движения автомобиля и сдвинута в сторону меньшего радиуса. Из чего можно сделать вывод, что наклонённые колеса имеют свойство катиться по траекториям в виде дуги, причём центр этой дуги будет находиться в той же точке, в которой ось колеса пересекается с твёрдой опорной плоскостью.

Однако, если водитель держит рулевое колесо в положении соответствующему прямолинейному движению автомобиля, а сцепление покрышек с дорогой достаточно велико, то управляемые колёса автомобиля будут двигаться так же прямолинейно. Однако в пятне контакта шин возникнут элементарные боковые реакции направленные в сторону наклона. Эти реакции образуют равнодействующую силу, эта дополнительная сила, вызванная наклоном колеса, создаёт дополнительную нагрузку в системе рулевого управления, а так же создаёт сопротивление качению колеса и вызывает тот самый повышенный износ резины.

Для компенсации возникающих элементарных реакций и вызванных ими сил в пятне контакта пневматической шины с твердой опорной поверхностью управляемых колёс установленных с отрицательным развалом, автопроизводители прибегают к изменению такого параметра установки колёс как угол поперечного наклона. Вставить рисунок. При установке колеса с углом схождения в горизонтальной плоскости колёса катятся с определённым углом увода шин, которым равен половине угла схождения (и сюда тоже), при этом создаётся сила Y_s, перпендикулярная плоскости колеса, и моменты М_ь Y_bb_b,, которые стремятся развернуть их в сторону противоположную схождению. Общая напряжённость в пятне контакта эластичной шины с твёрдой опорной поверхностью созданная совокупностью развала и поперечного угла установки управляемых колёс, определяется взаимным взаимодействием сил и моментов X_vY_vY_b, /И_т и M_g. Благодаря тому, что боковые реакции F_Tи K₆направлены в диаметрально противоположные друг другу стороны, их действия в зависимости от соотношения развал-схождения взаимно нейтрализуются.

3.2.3 ᶞ Продольный угол наклона поворотного шкворня.