8.2. Сущность коэффициента сцепления
Сущность процесса сцепления шины с дорогой становится понятной после анализа составляющих:
адгезионное сцепление – прилипание на молекулярном уровне шины к дороге. Реальная площадь пятна контакта между резиной и выступом дороги мала, поэтому давления в пятне контакта высоки, что и приводит к слипанию на молекулярном уровне шины и выступа микронеровности дороги (холодная сварка). Адгезионная составляющая доминирует на сухой и чистой дороге. Особенно сильно выражено адгезионное сцепление при наличии «резинового наката» на дороге: схватывание резины с резиной очень быстрое и прочное. Накат образуется на чистой дороге в результате износного сцепления;
износное сцепление – вызвано чрезмерным (выше предела прочности) напряжением резины на микроуровне при адгезионном схватывании резины с дорогой, что приводит к микроразрывам резины, на которые тоже тратится энергия. Износное сцепление незначительно зимой и на мокрой дороге, так как нет адгезионного сцепления;
деформационное сцепление – проникновение эластичной резины в микронеровности дороги, что при скольжении шины вызывает повышение сопротивления ее сдвигу–срезу: шина как альпинист цепляется за выступы дороги. Деформационная составляющая присутствует и на сухой дороге, но доминирует на мокрой, так как адгезионное сцепление падает до нуля из-за смазывающих (и диспергирующих) свойств воды. Глубина, рисунок и развитость протектора вместе со скоростью автомобиля играют решающую роль в отводе воды из пятна контакта шины с дорогой. Если микронеровности дорожного полотна заполнены водой (а вода ведь несжимаема), то деформация резины вокруг микронеровностей минимальна – минимально и деформационное сцепление, следовательно, высока вероятность аквапланирования (в этом случае φх → 0). Но современные шины «научились» справляться с тонкими пленками воды на дороге – поверхностный слой шин стал пористым, впитывает воду, тем самым повышая роль деформационного сцепления.
8.3. Коэффициент поперечного сцепления
При значительном разбросе скоростей движения транспортных средств на криволинейных участках трассы обычно существует неуравновешенная сила независимо от подъема виража. Эта сила вызывает боковой увод шин, уравновешиваемой силой сцепления шин с дорожным полотном. Противодействующая сила трения обусловлена деформацией шин в пятне контакта.
Коэффициент сцепления f представляет силу трения, деленную на проекцию массы перпендикулярно дорожному полотну, и выражается следующей широко используемой формулой:
,
где R – радиус поворота, км;
v – скорость движения автомобиля, км/ч.
Этот коэффициент также называют коэффициентом бокового усилия, коэффициентом бокового увода шины, несбалансированным центробежным коэффициентом, коэффициентом сцепления и коэффициентом бокового сцепления. Мы будем использовать последний термин как наиболее употребительный в практике проектирования автомобильных дорог. Максимальное значение данного коэффициента соответствует началу проскальзывания шин. Поскольку автомагистрали проектируют таким образом, чтобы избежать проскальзывания шин с определенным запасом, значения коэффициента f должны быть существенно меньшими коэффициента сцепления, соответствующего началу проскальзывания.
Коэффициент бокового сцепления, при котором неизбежно проскальзывание, зависит от множества факторов, среди которых наиболее важными являются скорость движения транспортного средства, типа и состояния дорожного покрытия, а также материала и состояния шин. Опытным путем были получены различные значения коэффициента бокового сцепления в одном и том же скоростном режиме для сходных типов дорожного покрытия, чего и следовало ожидать, следуя логике и исходя из разных свойств дорожного покрытия, погодных условий и состава шин.
В целом, согласно проведенным исследованиям максимальные значения коэффициента бокового сцепления новых шин о влажное дорожное покрытие лежат в диапазоне от 0,5 при скорости движения 30 км/ч до приблизительно 0,35 при скорости движения 100 км/ч. Для обычного влажного бетонного покрытия и гладких шин значение коэффициента составляет порядка 0,35 при скорости движения 70 км/ч. Во всех случаях результаты исследований свидетельствуют об уменьшении коэффициента бокового сцепления с увеличением скорости движения.
Проектирование кривых не следует осуществлять, исходя лишь из максимальных значений коэффициента бокового сцепления. Для удобства и комфорта большинства водителей, а также исходя из соображений безопасности, при расчете следует руководствоваться максимально допустимым значением. . . .
При выборе максимально допустимых значений коэффициента бокового сцепления, используемых при расчете, одним из критериев является точка, в которой центробежная сила, является достаточной, чтобы вызвать у водителя чувство дискомфорта, инстинктивно принуждающего водителя избегать движения с более высокой скоростью. Скорость движения по кривой, при которой водитель начинает использовать ощутимый дискомфорт, можно использовать в качестве расчетного максимально допустимого значения коэффициента бокового сцепления.