Взаимодействие колеса автомобиля с дорогой

2.2. Взаимодействие шины с дорогой

Взаимодействие автомобильного колеса с дорогой осуществляется непосредственно через протектор. В зоне контакта шины с дорожной поверхностью сосредоточен весь комплекс внешних статических и динамических сил, воздействующих на автомобильное колесо.

Протектор шины работает в наиболее тяжелых условиях по сравнению с другими элементами шины. Особенно незащищенной и наиболее нагруженной является контактная поверхность протектора. Все это приводит к возникновению в зоне контакта сложной картины распределения нормальных и касательных напряжений, а также проскальзывания, что является главной причиной износа протектора.

Для упрощения физической модели рассмотрим лишь случаи нагружения колеса при равномерном и прямолинейном его движении по горизонтальной поверхности дороги с твердым, практически недеформируемым покрытием.

При анализе взаимодействия протектора с опорной поверхностью рассматриваются контактные напряжения, приложенные к шине со стороны дороги. Поскольку распределение нормальных и касательных напряжений, действующих в контакте автомобильного колеса, протекает по сложным законам, рассмотрим сначала взаимодействие шины с опорной поверхностью у неподвижного колеса, находящегося под воздействием только нормальной нагрузки. В данном случае шина подвергается простейшему виду нагружения. Затем последовательно рассмотрим другие виды нагружения при различных режимах качения колеса, переходя от простых к более сложным случаям.

Взаимодействие дороги и автомобиля

Разрушающее воздействие автомобиля на дорогу

Силы, передающиеся на дорожную одежду при движении автомобиля, оказывают разрушающее воздействие на дорогу. Под воздействием вертикальных сил происходит упругая деформация дорожной одежды. Повторное их действие на один и тот же участок дороги приводит к возникновению явлений усталости, появлению трещин и разрушению дорожной одежды. К характерным повреждениям дорожной одежды от действия вертикальных сил можно отнести:

Выбоины – местные разрушения покрытия глубиной от 20 до 100 мм и более с резко очерченными краями. Они возникают прежде всего из-за недостаточной связи между минеральными органическими материалами, недоуплотнения покрытия, загрязнения, а также использования недоброкачественных материалов;

Волны и гребенки– неровности в виде поперечных гребней и впадин с пологими краями. Они формируются в местах торможения автомобилей практически на всех типах покрытий, кроме цементобетонных. Основная причина волнообразования — излишняя пластичность материала, избыток вяжущего, недостатки уплотнения, а также систематическое воздействие на покрытие автомобилей одинаковой массы при одинаковой скорости;

Просадки – впадины глубиной 50-100 мм и более с пологой поверхностью, но без выпучивания и образования трещин на прилегающих участках. Одной из причин появления просадки может быть проезд тяжелых автомобилей, на которые дорожная одежда не была рассчитана;

Проломы – разрушение одежды в виде более или менее длинных прорезей глубиной до 100 мм по полосам наката и выпучиваний сбоку проломов высотой 50-100 мм. Причиной появления проломов может быть переувлажнение и пластическое течение материала слоев основания и грунта или прорезание слоев одежды под действием вертикальной силы;

Колеи – деформации и разрушения дорожной одежды в виде небольшого углубления по полосам наката. При интенсивном тяжелом движении колеи могут превратиться в проломы.

Горизонтальные силы возникают вследствие ударов колес при наезде на неровности покрытия, трения шины о верхний слой покрытия, при движении по кривой в результате действия центробежной силы и также оказывают разрушающее действие на дорогу. К характерным повреждениям дорожной одежды от действия горизонтальных сил можно отнести:

Шелушение – отделение чешуек и частиц материала;

Выкрашивание–отделение зерен минерального материала из покрытия и образование мелких раковин глубиной до 20 мм.;

Сдвиги – неровности, вызванные смещением материала покрытия при устойчивом основании, чаще всего образуются в местах торможения автомобилей;

Разрушение стыков – обламывание кромок и выбивание заполняющей мастики. Основными причинами являются удары колес автомобилей, недоброкачественная цементобетонная смесь, неудовлетворительная нарезка и отделка швов.

Здесь же необходимо отметить, что разрушительное действие на дорогу вертикальных сил значительно выше, чем горизонтальных.

Предельные размеры отдельных повреждений (просадок, выбоин и т.п.) не должно превышать по длине 15 см, ширине – 60 см, глубине – 5 см.\

Сила тяги, развиваемая двигателем на ведущих колесах автомобиля, расходуется на преодоление сил сопротивления движению.

В наиболее общем случае ускоренного движения на подъем на автомобиль действую следующие силы сопротивлений: сопротивление качению (трение качения), сопротивление движению на подъем, сопротивление воздуха, инерционные силы самого автомобиля и вращающихся масс его механизмов, возникающие при изменении скорости движения.

Сопротивление качению вызывается затратой энергии на деформацию шин и дороги. Эта сила всегда действует на движущийся автомобиль. На ровных цементобетонных и асфальтобетонных покрытиях основным фактором, определяющим сопротивление качению, является обжатие шин. На менее ровных покрытиях (щебеночных, гравийных, булыжных мостовых) добавляются наезды колес на неровности покрытия. На грунтовых дорогах сопротивление создается затратой усилий на деформирование шины и грунта при образовании колеи.

При движении по дорогам с твердым покрытием сила сопротивления качению определяется следующим образом:

(1)

Где: — нагрузка на дорогу от отдельных колес,

— соответствующие коэффициенты сопротивления качению.

Рис. 1 Реальное сопротивление качению.

Сопротивление качению зависит от ровности покрытия, скорости и эластичности шины. Однако при скоростях движения ниже 50 км/ч сопротивление качению возрастает настолько медленно, что коэффициент сопротивления качению можно считать практически постоянным. При скоростях выше 50 км/ч коэффициент сопротивления качению высчитывается в соответствии со скоростью движения. (Подробнее на лабораторном занятии).

Сцепные качества покрытия.

Тип покрытия, его прочность, ровность, шероховатость, наличие разрушений, трещин, влаги, пыли, грязи, снега или гололеда существенно влияют на коэффициент сопротивления качению колеса автомобиля и коэффициент его сцепления с покрытием.

Коэффициентом сцепления () называется отношение тягового усилия на колесе к вертикальной нагрузке на покрытие, при превышении которого начинается пробуксовывание ведущего колеса или проскальзывание заторможенного.

В зависимости от направления сдвигающей силы, действующей на колесо, различают два вида коэффициента сцепления:

— коэффициент продольного сцепления, соответствующий началу проскальзывания заторможенного или пробуксовыванию движущегося колеса при качении или торможении без действия на колесо боковой силы. Его используют при вычислении пути, проходимого автомобилем при экстренном торможении и при оценке возможности трогания автомобиля с места.

Коэффициент поперечного сцепления – поперечная составляющая коэффициента сцепления при смещении ведущего колеса, катящегося под воздействием боковой силы под углом к плоскости качения, когда колесо, вращаясь, скользит вбок. Характеризует устойчивость автомобиля при проезду кривым малых радиусов.

На сцепные качества покрытия, а соответственно и величину коэффициента сцепления, существенное влияние оказывают такие показатели, как: шероховатость (различают макрошероховатость – неровность поверхности покрытия, которая нормируется и микрошероховатость – собственная шероховатость частиц каменного материала), состояние покрытия, ровность покрытия, температура воздуха.

Под действием влажности воздуха, осадков и других метеорологических факторов, а также в зависимости от интенсивности движения, уровня содержания и вида покрытие может находиться в различном состоянии.

Сухимсчитают покрытие, микроповерхность материала которого не имеет сплошной пленки воды. Это наблюдается при относительной влажности воздуха до 90 %.

К влажным относят покрытия, микроповерхность которых покрыта сплошной пленкой связанной воды. Такое состояние покрытия наблюдается при относительной влажности воздуха 90-100 % и положительной температуре. При отрицательной температуре в этих условиях образуется микрогололед.

Мокрымсчитается покрытие, на микроповерхности материала которого имеется слой свободной воды.

К заснеженному относят покрытие с наличием рыхлого снега на поверхности; снежный накат – наличие слоя снега, уплотненного колесами автомобилей; гололедица – все виды зимней скользкости на поверхности дороги.

Схема сил, действующих на дорожное полотно и расчёты

При движении автомобиля по дороге в зоне контакта шины колеса с дорожным покрытием возникают динамические вертикальные, продольные и поперечные касательные силы, значение которых зависит от типа автомобиля, шины колеса, нагрузки, природно-климатических условий и т.п.

На стоящее колесо действует только одна сила вес автомобиля, приходящийся на это колесо. Особенностью автомобильного колеса является его эластичность. Под действием вертикальной силы колесо деформируется (рис. 3.1, а), в месте контакта радиус колеса меньше, чем в других частях колеса, не соприкасающихся с дорожным покрытием.

Рис. 3.1. Схема сил, действующих на дорожное покрытие:

а — стоящее колесо; б — ведущее колесо; в ведомое колесо; D — размер пятна контакта колеса с дорожным покрытием; Р_ср, Р_тах — соответственно средний и максимальный прогиб дорожного полотна; G — вес автомобиля; R — сила реакции; G_K — вес автомобиля, приходящийся на колесо; М_вр — вращающий момент; Т — сила трения; r_к — расстояние от центра колеса до поверхности дорожного покрытия; r — радиус колеса; а — расстояние от мгновенного центра скоростей О до линии действия силы реакции R; Р_к — окружная сила; v — скорость движения автомобиля

Площадь следа колеса F меняется в пределах 250. 1000 см 2 . Для одного и того же автомобиля значение F, м 2 , зависит от нагрузки на колесо:

F= G/p, (3.1)

где G вес автомобиля, приходящийся на колесо, Н; р давление, Па.

Значение р не должно превышать 0,65 МПа на дорогах I II категорий и 0,55 МПа на дорогах III V категорий.

Различают площадь отпечатка колеса по контуру в форме эллипса (рис. 3.1, а) и по выступам рисунка протектора. При определении среднего давления в расчет принимают площадь отпечатка по выступам протектора. При расчете дорожной одежды для вычисления р условно принимают площадь отпечатка в виде круга диаметром D, м, равновеликую площади эллипса:

D = 11,3√G/(0,1p) (3.2)

В большинстве автомобилей имеются ведущие и ведомые колеса. К ведущим колесам подается вращающий момент М_вр Н*м, от двигателя автомобиля:

где М_дв вращающий момент на коленчатом валу двигателя, Н • м; Uk передаточное число коробки передач; U_г передаточное число главной передачи; η коэффициент полезного действия главной передачи.

Действие вращающего момента Мвр вызывает появление в зоне контакта окружной силы Р_к, направленной в сторону, обратную движению (рис. 3.1, б). Сила Рк вызывает горизонтальную силу реакции Т, представляющую собой силу трения в плоскости контакта колеса с дорожным покрытием, при этом Т= Р_к.

Взаимодействие автомобиля с дорогой. Схема сил передаваемая от неподвижного колеса и от ведущих колес на дорожную одежду.

Классификация автомобильных дорог в Российской Федерации

Автомагистраль

К классу «автомагистраль» относят автомобильные дороги:

· имеющие на всем протяжении многополосную проезжую часть с центральной разделительной полосой;

· не имеющие пересечений в одном уровне с автомобильными, железными дорогами, трамвайными путями, велосипедными и пешеходными дорожками;

· доступ на которые возможен только через пересечения в разных уровнях, устроенных не чаще, чем через 5 км друг от друга.

Скоростная дорога

К классу «скоростная дорога» относят автомобильные дороги:

· имеющие на всем протяжении многополосную проезжую часть с центральной разделительной полосой;

· не имеющие пересечений в одном уровне с автомобильными, железными дорогами, трамвайными путями, велосипедными и пешеходными дорожками;

· доступ на которые возможен через пересечения в разных уровнях и примыкания в одном уровне (без пересечения потоков прямого направления), устроенных не чаще, чем через 3 км друг от друга.

Дорога обычного типа (нескоростная дорога)

К классу «дороги обычного типа» относят автомобильные дороги, не отнесённые к классам «автомагистраль» и «скоростная дорога»:

· имеющие единую проезжую часть или с центральной разделительной полосой;

· доступ на которые возможен через пересечения и примыкания в разных и одном уровне, расположенные для дорог категорий IB, II, III не чаще, чем через 600 м, для дорог категории IV не чаще, чем через 100 м, категории V — 50 м друг от друга.

Состояние и развитие дорожной сети Российской Федерации

Дорожная сеть страны в настоящее время не в полной мере соответствует политическим, социальным, экономическим потребностям общества. Значительная часть автомобильных дорог на подходах к крупным городам исчерпала свою пропускную способность и работает в режиме перегрузки.

Происходящая децентрализация экономики привела к появлению новых транспортных связей регионов между собой, а также к возникновению зарубежных связей, реализация которых не требует вынужденного, по причине сложившейся конфигурации сети, заезда в крупные города. Конфигурация автодорожной сети во многом несовершенна и имеет ярко выраженную радиальную структуру. Недостаточна возможность выбора альтернативного маршрута проезда, а во многих районах такой возможности практически нет. Это приводит к перепробегам автотранспорта и перегрузке транспортных узлов близ крупных городов.

В районах Крайнего Севера и приравненных к ним территориях, занимающих 60% территории, находится лишь 15,5% автодорог. Плотность дорог с твердым покрытием здесь в 15 раз ниже, чем в целом по России.

Из-за низкого технического уровня, несоответствия параметров автомобильных дорог объемам движения, перегрузки отдельных участков дорог средняя скорость движения по ним составляет 30 км/час, что приводит к увеличению стоимости перевозок на 20–25%. Из-за неудовлетворительной ровности покрытия стоимость перевозок возрастает до 30 –50%.

В плохих дорожных условиях стоимость обслуживания автомобилей возрастает в 2,5–3,4 раза, срок службы автопокрышек сокращается в 1,1–1,8 раза, срок службы автомобиля сокращается на 30%, а его производительность падает более чем в два раза.

Ежегодно более 2 тыс. человек (из примерно 30 тыс.) погибают и 9 тыс. человек получают ранения в ДТП, которым сопутствовали плохие дорожные условия.

Модель взаимодействия комплекса «Водитель-Автомобиль-Дорога-Среда»

Система ВАДС – взаимосвязанная система, состоящая из элем-в: водитель, автомобиль, дорога, среда.

При выходе из строя хотя бы одного элемента системы нормальное функционирование ВАДС нарушается или становится невозможным.

С позиции системного подхода деят-ть по организации дв-я (упр-е системой ВАДС) может быть рассмотрена как последовательно осуществляемая на 3 уровнях упр-я, конечной целью которой явл. безопасность движения.

1 уровень предусматривает создание системы законодат. и иных норм.-правовых актов, а также стандартов, правил, содержащих общие требования безопасности по всем компонентам системы ВАДС.

2 уровень предусм. непосредственную реализацию требований 1 уровня в процессе создания ТС, строительства, реконструкции, содержания УДС, орг-ии ДД, а также при подготовке водителей и обучении населения.

3 уровень предусм. орг-ю контроля надёжности функционирования всех компонентов системы ВАДС в процессе ДД и принятие соотв. мер для восстановления соотв. уровня безопасности.

Взаимодействие автомобиля с дорогой. Схема сил передаваемая от неподвижного колеса и от ведущих колес на дорожную одежду.

При движении автомобиля по дороге возникают нормальные к поверхности проезжей части и касательные продольные и поперечные силы взаимодействия между колесами автомобиля и покрытием. К этим силам относятся:

— сила, перпендикулярная покрытию и равная ей, но противоположная по знаку, нормальная реакция дорожной одежды на колесо R;

— окружная сила Рк, приложенная к площади контакта ведущих колес с покрытием, направленную в сторону, противоположную движению, — это сила воздействия ведущих колес на дорожную одежду в плоскости проезжей части.

Тангенциальная (касательная) реакция Тк, практически равная окружной силе Рк и направленная в сторону движения, возникает в результате взаимодействия ведущих колес и покрытия. Эту реактивную силу, вызывающую поступательное движение автомобиля, называют тяговой

На дорогу от колес автомобиля передаются статические нагрузки при остановке автомобилей и кратковременные или динамические при движении. При статическом загружении (остановка автомобиля) колесо передает на покрытие нагрузку Q (рис. 10.1 а). Нормальная реакция дороги R = Q приложена в центре следа колеса. В этом случае взаимодействие автомобиля с дорогой можно характеризовать колесной нагрузкой Q,площадью отпечатка пневматического колеса 5, средним контактным давлением р = Q : S.

Различают площадь отпечатка колеса по контуру в форме эллипса и по выступам протектора. Для упрощения в расчетах принимают площадь отпечатка не в форме эллипса, а в форме круга с приведенным по площади отпечатка диаметром

Рис. 10.1. Схема сил, передаваемых на покрытие от колес: а — неподвижного; б — ведущего; в — ведомого; р — удельное давление на покрытие от колеса автомобиля; р_тхх — максимальное удельное давление на покрытие от колеса автомобиля; и — сжатие автомобильной шины; / — прогиб дорожной одежды под колесом автомобиля; е — смещение точки приложения реакции R; D — условный диаметр круга отпечатка, заменяющего эллипс в зоне контакта шины с покрытием; Р_к — сила тяги на ободе колеса автомобиля; Т — сила трения; Р — сила сопротивления качению

Эти две основные характеристики р и D или их произведение pD определяют взаимодействие автомобилей с дорогой.

Дата добавления: 2019-07-15 ; просмотров: 303 ; Мы поможем в написании вашей работы!