2.6. Динамика автомобильного колеса

Рассмотрим динамику автомобильного колеса при качении по недеформируемой опорной поверхности. Покажем силы и моменты, действующие на ведущее колесо в тяговом режиме движения автомобиля (рис. 2.3). Нормальная нагрузка колеса G_к представляет собой сумму всех сил, приложенных к колесу перпендикулярно к опорной поверхности, включая вес колеса. Продольная сила Р_х – составляющая равнодействующей сил, приложенных к колесу со стороны автомобиля параллельно опорной поверхности.

Реакция R_Z направлена перпендикулярно опорной поверхности. Точка ее приложения смещена относительно направления приложения силы G_к на величину а. Направление реакции R_x зависит от режима работы автомобиля и связанного с ним движением колеса. Из рисунка 2.3 очевидно, что R_x = Р_х и R_Z = G_к.

Составим уравнение движения колеса относительно его центра 0:

. (2.12)

Из формулы (2.12) с учетом выражения (2.4) получим

, (2.13)

где G_к - нормальная нагрузка колеса; Р_х – продольная сила, действующая на колесо со стороны кузова; R_x - продольная состаляющая касательной реакции дороги; R_Z – нормальная составляющая реакции дороги; М_к – крутящий момент, подведенный к колесу; М_j - момент сопротивления ускорению вращения колеса.

Рис. 2.3. Схема сил и моментов, действующих на колесо при качении

По недеформируемой поверхности

Ведущие колеса автомобиля преобразуют вращательное движение в поступательное движение автомобиля, при котором происходит частичная потеря мощности. Считаем, что мощность подводится к колесу через крутящий момент и продольную силу (например, для полноприводного автомобиля) и затрачивается на преодоление сопротивления качению, сопротивления, обусловленного проскальзыванием шин относительно опорной поверхности, и сопротивления разгону колеса. Тогда

. (2.14)

Поскольку N_к = Р_к V_к и т.д., то из выражения (2.14) получим

, (2.15)

т. е. сумма продольной ( ) и окружной ( ) сил колеса равна сумме сил сопротивления качению, разгону и трению скольжения.

Из выражения (2.15) следует, что уравнение движения ведомого колеса имеет следующий вид:

(2.16)

Толкающая сила и продольная реакция образуют пару сил, обеспечивающих качение колеса.

Поскольку значение ограничено трением (сцеплением) между колесом и дорогой, то условие качения ведущего колеса без буксования будет иметь вид

, (2.17)

При установившемся режиме движения . Следовательно, условие качения ведомого колеса без скольжения примет следующий вид:

.

Ведущее колесо катится под действием крутящего момента. Усилие, передающееся от колеса на раму автомобиля, называется силой тяги колеса . Так как , то из выражения (2.15) следует, что

или .

Таким образом, сила тяги колеса равна окружной силе за вычетом силы сопротивления качению и силы, затрачиваемой на разгон колеса.