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 PJ. 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 баланса и позволяет установить, как тяговая сила распределяется по различным видам сопротивлений.
Сопротивление дороги
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 вращению 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,
где:
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).
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
i = tg a ~ 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.
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.
