3.4. Сцепление шин с поверхностью дороги

Тяговое усилие на колесах автомобиля, обеспечиваемое мощностью двигателя, может быть развито лишь в том случае, если между ведущими колесами и дорогой имеется достаточное сцепление. Отношение максимального тягового усилия на колесе Р_к к вертикальной нагрузке на покрытие G_к, при превышении которого начинается пробуксовывание ведущего колеса или проскальзывание заторможенного, называется коэффициентом сцепления () и соответственно j=P_к/G_к.

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

1) коэффициент продольного сцепления j_пр, соответствующий началу проскальзывания заторможенного или пробуксовывания 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;

2) коэффициент поперечного сцепления j_поп – поперечная составляющая коэффициента сцепления при смещении ведущего колеса, катящегося под воздействием боковой силы под углом к плоскости качения, когда колесо, вращаясь, скользит вбок. Коэффициент j_поп характеризует устойчивость автомобиля при проезде кривых малых радиусов.

Многочисленные экспериментальные исследования коэффициентов сцепления показали, что на их значение большее влияние оказывает состояние дорожного покрытия, чем его тип.

При любых покрытиях выступающие над их поверхностью твердые минеральные частицы, которые делают покрытие шероховатым, при наезде колеса вдавливаются в резину протектора. При проскальзывании колеса они упруго деформируют резину, сопротивление которой является основной причиной сопротивления колеса смещению по покрытию. По мере износа шероховатость покрытия уменьшается, а, следовательно, уменьшается и сцепление его с колесом. Впадины на поверхности покрытия между выступами шероховатости при увлажнении или загрязнении заполняются грязью, пылью, продуктами износа шин и т.д., что уменьшает возможную глубину вдавливания выступов в резину. Пленка влаги, смачивая зону контакта между шиной и покрытием, действует как смазка, разделяющая резину и покрытие. Все это снижает значение коэффициента сцепления. При высоких скоростях движения шина не успевает полностью деформироваться, так как продолжительность контакта с покрытием для этого недостаточна, а, следовательно, неровности покрытия вдавливаются в шину на меньшую глубину. В результате с ростом скорости коэффициент сцепления снижается. На сухих покрытиях снижение коэффициента сцепления со скоростью менее ощутимо, чем на увлажненных.

При сильном износе или при малой высоте и расчлененности элементов протектора на мокром покрытии может возникать явление аквапланирования, когда между шиной и покрытием в начальной части зоны контакта накапливается вода, не успевающая выжаться в стороны. Под шиной образуется водяной клин, создающий гидродинамическую подъемную силу, снижающую давление колеса на дорогу (рис. 3.10). При слое воды на покрытии толщиной 2-3 мм нарушение контакта передних колес с покрытием и потеря управляемости автомобилем становятся возможными при скоростях, близких к 80-100 км/ч.

В среднем можно считать, что коэффициент продольного сцепления j_пр полностью заблокированных шин, имеющих слабоизношенный протектор, и гладкого влажного цементобетонного покрытия следующим образом зависит от скорости:

V, км/ч 30 40 60 80 100 120 150 175;

j_пр 0,50 0,45 0,39 0,35 0,32 0,29 0,26 0,24.

Коэффициенты продольного сцепления при скорости 60 км/ч в зависимости от состояния покрытия и приведены в табл. 3.4.

Условия сцепления пневматических шин с поверхностью дороги связаны с погодными условиями. Значения коэффициента сцепления меняются в течение года в широких пределах, повышаясь летом и значительно снижаясь в период зимних гололедов, когда для увеличения сцепления дорогу обрабатывают противогололедными материалами (гигроскопическими солями, песком, шлаком и др.) и на колеса автомобилей монтируют зимние шины.

Рис. 3.10. Схема возникновения аквапланирования колес: а – принципиальная зависимость коэффициента сцепления шины с мокрым покрытием, б – схема уменьшения зоны контакта шины с мокрым покрытием при увеличении скорости; 1 – шины с новым протектором; 2 – изношенные шины; 3 – пленка воды >1 мм; 4 – водяной клин, образующийся под шиной; I – полная зона контакта колеса с покрытием; II – уменьшенная зона контакта; III – зона контакта отсутствует, возникло аквапланирование

Таблица 3.4. Значения коэффициентов продольного сцепления j_пр при скорости 60 км/ч

Покрытие	Значение jпр
Сухое шероховатое	0,7 и более
Сухое гладкое	0,6
Влажное	0,5
Мокрое	0,4-0,3
Грязное	0,2-0,3
Обледенелое	0,1-0,05

При обосновании геометрических элементов трассы исходят из значения коэффициента продольного сцепления при сухом чистом покрытии и скорости 60 км/ч j_пр=0,6.

В увлажненном состоянии укладываемые на разных участках дорог покрытия должны удовлетворять при той же скорости требованиям, приведенным в табл. 3.5.

Таблица 3.5. Условия движения автомобилей

Условия движения	Характеристика участков дорог	jпр, не менее
Легкие	Прямые участки, кривые с радиусами более 1000 м, продольные уклоны не более 30‰ при укрепленных обочинах, без пересечений в одном уровне при малой интенсивности движения.	0,45
Затрудненные	Участки с кривыми в плане с радиусами 250-1000 м, с продольными уклонами от 30 до 60‰. Дороги со средней интенсивностью движения.	0,50-0,45
Опасные	Участки с недостаточной видимостью, с уклонами, превышающими расчетный, зоны примыканий и пересечений в одном уровне. Дороги с высокой интенсивностью движения.	0,60

Условия сцепления ведущих колес с поверхностью дороги оказывают влияние на динамические возможности автомобиля. При малых коэффициентах сцепления большие тяговые усилия, обеспечиваемые мощностью двигателя, не могут быть использованы из-за недостатка сцепления между колесами и покрытием. Поэтому наряду с динамическими характеристиками по мощности двигателя при тяговых расчетах используются также динамические характеристики по условиям сцепления, получаемые из уравнения тягового баланса при замене в уравнении (3.17) силы тяги Р_р по мощности двигателя ее максимальным значением, возможным по условиям сцепления шины с покрытием Р_р=Gj_пр, т. е.

, (3.21)

где G' – нагрузка от ведущих колес на дорогу; К_в – коэффициент сопротивления воздуха; V – скорость движения автомобиля, км/ч.

Относя избыток сцепления над сопротивлением воздушной среды к единице веса автомобиля, получим выражение динамической характеристики по сцеплению

. (3.22)

График динамических характеристик по условиям сцепления, пример которого дан на рис. 3.11, строят для ряда значений коэффициента сцепления j_пр. Совмещение его с графиком динамических характеристик по силе тяги позволяет выделить зоны, при которых обеспечивается возможность полного использования силы тяги.

Рис. 3.11. Динамические характеристики автомобиля: 1 – по силе тяги; 2 – по сцеплению (цифры у пунктирных кривых – коэффициенты сцепления)