Всё о коэффициенте сцепления шин с дорогой

Как шины влияют на безопасность, когда вы ведете машину по шоссе? Какие факторы помогают предотвратить занос и позволяют контролировать ваш автомобиль при повороте и остановке?

Вопросы безопасности на дорогах включают не только выбор правильной резины, но и учитывают фактор дорожного покрытия, технические характеристики транспортного средства ТС, другие факторы о которых узнаете ниже.

Измерение коэффициента сцепления дорожного покрытия по ГОСТ 50597-93

Исследования проводились динамометрическим приборомПКРС-2, результаты сведены в таблицу, где указаны виды дорожного покрытия и их состояние в зависимости от погодных и климатических условий. С момента ввода этих коэффициентов прошло много лет. Изменились технологии строительства дорог, в частности контактная поверхность дорожного покрытия. Данные таблицы надо рассматривать, как ориентировочные.

Сцепление шин с дорогой

Совершенно ясно, что эти коэффициенты не есть величина постоянная, а зависят от многих факторов:

• тип дорожного полотна, качество состояния;
• состояние шин транспортного средства их скоростные, нагрузочные и другие характеристики, входящие в маркировку;
• скорость движения ТС;
• наличие веществ, снижающих сцепление в зоне контакта поверхности колеса и покрытия (грязь, пролитые ГСМ);
• уклоны и опасные закругления автомобильной дороги.

Коэффициент сцепления между шиной и дорогой является одним из важных факторов, влияющих на безопасность дорожного движения. Состояние деформации шины различается в зависимости от силы торможения, вертикальной нагрузки на колесо.

Силы воздействия на участок поверхности шины во время торможения

Есть классическая формула в физике F =µN =µmg, которая связывает прямо пропорциональную зависимость силы трения от коэффициента сцепления контактирующих областей и прижимной силы. N равна произведению массы нагруженного колеса на ускорение свободного падения. Конечно распределение веса на переднюю ось будет больше при торможении, но эта классическая формула дает возможность понять какие факторы рассматриваются производителями шин, чтобы обеспечить безопасность автомобиля.

Зависимость тормозного пути от коэффициента сцепления шин с дорогой

Рисунок протектора колеса играет важную роль в определении трения или сопротивления скольжению. В сухих условиях на дорогах с твердым покрытием гладкая шина дает лучшую тягу, чем рифленый или узорчатый протектор, потому что имеется большая площадь контакта для создания сил трения. По этой причине резина, используемая для автогонок, имеет гладкую поверхность без рисунка протектора. К сожалению, гладкая шина развивает очень мало сцепления при влажных условиях, потому что фрикционный механизм уменьшается благодаря смазочной пленке воды между протектором и дорогой.

Рисунок канавки или каналы, по которым идет водоотвод, обеспечивает область прямого контакта между шиной и дорогой. Типовая шина дает коэффициенты сухого и влажного сцепления около 0,7 и 0,4 соответственно. Эти значения представляют собой компромисс между экстремальными значениями около 0,9 (сухих) и 0,1 (влажных), полученными с гладкой шиной.

Торможение на мокрой дороге

Когда автомобиль заторможен до жесткой остановки на сухой дороге, максимальная сила трения может быть больше, чем прочность протектора. В результате, вместо того, чтобы шина просто скользила по дороге, резина отрывается от протектора в области контакта шины и дороги. Несомненно, сопротивление протектора этому разрыву представляет собой сочетание прочности резины, канавок и щелей, составляющих дизайн протектора. Это тоже учитывают производители шин.

Сцепление шин таблица

Кроме того, размер контактной зоны очень важен в автомобильных шинах, потому что тяга является динамической, а не статической; то есть она изменяется по мере того, как колесо катится вперед. Максимальный коэффициент трения может происходить где угодно в области контакта, и чем больше площадь, тем больше вероятность максимальной тяги.

Таким образом, при одинаковой нагрузке и на одной и той же сухой поверхности более широкий профиль имеет большую площадь контакта и развивает более высокую тягу, что приводит к большей тормозной способности. Хотя некоторые специалисты считают, что большая площадь снижает давление на единицу поверхности и таким образом прижимная сила становится меньше, а потому выигрыш в тормозной способности остается под вопросом.

Определение коэффициента сцепления колеса автомобиля с дорожным покрытием

Устойчивость и управляемость автомобиля, его тяговые свойства и тормозные характеристики в значительной степени определяются сцеплением шины с дорогой.

Коэффициент сцепления колеса автомобиля с дорожным покрытием – это показатель, характеризующий сцепные свойства дорожного покрытия, определяющийся как отношение максимального касательного усилия, действующего вдоль дорожного покрытия на площади контакта испытательной установки с дорожным покрытием к нормальной реакции в площади контакта испытательной установки с дорожным покрытием.

Испытания коэффициента сцепления проводятся по ГОСТ 33078-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Методы измерения сцепления колеса автомобиля с покрытием».

Существует два основных метода определения коэффициента сцепления дорожного покрытия.

1. С помощью испытательной автомобильной установки, включающей в себя прибор контроля коэффициента сцепления дорожных покрытий типа ПКРС.
2. С использованием портативного прибора ППК-МАДИ-ВНИИБД или его аналогов. (В основном на участках автомобильных дорог, где невозможно обеспечить скорость движения испытательной установки равную (60±2) км/ч)

Рассмотрим каждый из них.

1. Определение коэффициента сцепления с использованием автомобильной испытательной установки типа ПКРС.

Сцепление колеса автомобиля с покрытием характеризуется значением показателя коэффициента сцепления, определяемого при полной блокировке испытательного колеса (ИКС) на предварительно смоченной поверхности покрытия автомобильной дороги при стандартных условиях, с последующим вычислением отношения полученного значения касательного усилия к значению нормальной реакции дорожного покрытия.

Измерения проводят при температуре окружающего воздуха в диапазоне от 5°С до 40°С. Поверхность автомобильной дороги перед измерением должна быть сухой. При наличии на дорожном покрытии каких-либо загрязнений (песок, мелкий гравий, грунт и т.д.) необходимо сделать соответствующую отметку в протоколе измерений.

Проведение измерений во время дождя или тумана не допускается.

При проведении измерений на каждом измерительном участке выполняются следующие операции:

а) определяется температура окружающего воздуха и дорожного покрытия;

б) испытательная установка разгоняется до скорости равной (60±2) км/ч и скорость поддерживается на протяжении всего интервала измерения;

в) включается подача воды на дорожное покрытие перед испытательным колесом;

г) производится блокировка колеса с шагом не менее 0,2 с в интервале времени не менее чем 3,0 с, имитируя торможение автомобиля;

д) после проведения измерений блокировка колеса прекращается и отключается подача воды.

На автомобильных дорогах, находящихся в эксплуатации, измерения проводят при движении испытательного колеса по полосе наката левых колес транспортных средств, использующих данную полосу движения, а на дорогах с вновь устроенным покрытием — в пределах всей ширины полосы движения.

Минимальная длина участка автомобильной дороги, на котором возможно применение прибора типа ПКРС из условий безопасности с учетом разгона и полной остановки должна составлять 300 м.

Силу сцепления на измерительном участке рассчитывают, как среднеарифметическое сил сцепления, полученных по результатам измерения на данном участке.

1. Определение коэффициента сцепления с использованием портативного прибора ППК-МАДИ-ВНИИБД.

Места проведения измерений и схема организации движения на время проведения измерений согласовываются с органами, ответственными за организацию безопасности дорожного движения.

Перед началом проведения измерений проводится подготовка испытательной установки в соответствии с рекомендациями компании-изготовителя.

При выполнении измерений выполняют следующие операции:

а) измеряют температуру окружающего воздуха;

б) устанавливают прибор в точке измерения коэффициента сцепления;

в) фиксируют груз прибора в верхнем положении;

г) увлажняют дорожное покрытие водой по траектории движения имитаторов, из расчета от 0,15 до 0,25 л под каждый имитатор;

д) сбрасывают груз на тяги прибора;

е) по измерительному кольцу на шкале прибора фиксируют значение коэффициента сцепления;

ж) выполняют действия по перечислениям в)-е) не менее четырех раз.

При наличии на автомобильной дороге двух или более полос в одном направлении движения, измерения поводят по каждой из них.

Результат первого измерения в точке исключается из расчетов, а нагружения считается пробным. Коэффициент сцепления в точке измерения вычисляют как среднее арифметическое значение результатов не менее чем трех измерений.

Результаты измерений оформляют в виде протокола, который содержит:

— наименование организации, проводившей измерения;

— название автомобильной дороги;

— привязку к километражу;

— номер полосы движения;

— дату и время проведения измерений;

— температуру воздуха и дорожного покрытия в период проведения измерений;

— скорость транспортного средства при проведении измерений;

— значение коэффициента сцепления;

— состояние дорожного покрытия;

— ссылку на ГОСТ 33078-2014 «Дороги автомобильные общего пользования. Методы измерения сцепления колеса автомобиля с покрытием».

Сцепление колес автомобиля с поверхностью дороги

Движение автомобиля по дороге будет происходить без проскальзывания и буксования, если сила тяги будет равна или меньше силы трения (сцепления) между ведущими колесами и поверхностью дороги Т. Максимальная сила сцепления (или реакции дороги) Т пропорциональна нагрузке на ведущие колеса автомобиля

где φ –коэффициент сцепления колеса с дорогой.

Условие движения автомобиля без проскальзывания и буксования имеет вид (рис. 2.1):

Различают два вида коэффициента сцепления (рис. 2.6) при движении автомобиля на кривой в плане:

· коэффициент продольного сцепления φ₁, соответствующий началу пробуксовывания колеса при его качении в плоскости движения без боковой силы;

· коэффициент поперечного сцепления φ₂, при движении колеса под углом к плоскости движения, когда колеса одновременно вращаются и скользят вбок то есть автомобиль движется по криволинейной траектории.

Рис. 2.6. Силы, действующие на автомобиль в плоскости дороги при движении по криволинейной траектории

От величины продольного коэффициента сцепления φ₁ зависит безопасность движения при торможении автомобиля, от величины поперечного коэффициента сцепления φ₂ безопасность от заноса в бок. Величина коэффициента сцепления зависит от типа и состояния поверхности покрытия, В табл. 2.3 приведены значения коэффициентов сцепления для различных типов покрытий.

Минимальные значения коэффициентов сцепления на дорогах I – III категорий при увлажненной поверхности покрытия и скорости движения 60 км/ч не должны быть менее:

· для легких условий движения (R > 1000 м, i

Поэтому наряду с динамическими характеристиками по мощности используются динамические характеристики по условию сцепления.

Если принять, что G = G_сц (что справедливо, если на все колеса автомобиля передается вращающийся момент), то максимальная сила тяги должна быть меньше силы сцепления

· Сила тяги должна быть меньше или равна максимально возможной силе сцепления Р_р ≤ Т = φG_cц..

Торможение автомобиля

В процессе торможения автомобиля вместо вращающего момента на ведущие колеса автомобиля подается тормозной момент (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Силы, действующие на колесо при торможении:

1 – тормозные цилиндры, прижимающие тормозные колодки к барабану;

2 – тормозная колодка; 3 – тормозной барабан; М_вр – крутящий момент; Р_т – тормозная сила; М_т – тормозной момент; G_к – вес автомобиля, приходящийся на колесо

В уравнение движения при торможении вместо тягового усилия Р_р подставляют тормозную силу Р_т, направленную в сторону, обратную движению. Уравнение движения при торможении имеет вид:

Величина тормозной силы определяется из выражения:

где γ_т – коэффициент удельной тормозной силы, равный отношению суммы тормозных сил, возникающих на всех тормозныхколесах, к весу автомобиля.

Решим уравнение движения относительно отрицательного ускорения j:

В современных автомобилях с тормозами на всех колесах при аварийном торможении, предельная величина γ_т равна коэффициенту сцепления шины с покрытием φ при движении по прямолинейному участку дороги и φ₁ – при движении по кривой в плане.

Поскольку при торможении скорость автомобиля резко снижается сопротивлением воздуха можно пренебречь, тогда при δ = 1(прямая передача)

При назначении геометрических элементов дорог нормируется величина пути, на которой водитель может остановить автомобиль, движущийся с расчетной скоростью. Путь полного торможения можно найти по формуле равнозамедленного движения

,

где а –абсолютное отрицательное ускорение, м/с 2

Итак, тормозной путь при v в м/с

где К_э – коэффициент эффективности торможения, учитывающий эксплуатационное состояние тормозов, равен 1,2 для легковых автомобилей и 1,3 – 1,4 для грузовых автомобилей.