книги из ГПНТБ / Петров М.А. Работа автомобильного колеса в тормозном режиме

38

воздействия на автомобильное колесо. Поэтому случайный микропрофиль иногда целесообразно представить в аналити­ ческом виде. В этом случае он задается в виде предела сум­ мы бесконечного ряда гармонических функций с элементар­ ными амплитудами, частотами и фазовыми углами, т. е. инте­ гралом Фурье. При определенных допущениях [11] аналити­ ческое выражение случайного микропрофиля может быть по­ лучено по известной для него корреляционной функции. Для некоторых целей анализа взаимодействия колеса с опорной поверхностью достаточно знания статистической связи высот неровностей с их длинами. Данные работ [16; 17] подтвер­ ждают существование такой связи, которая в первом прибли­ жении может быть представлена эмпирической зависимостью вида

где Іі — высота неровности, см; s,| — длина неровности, м.

Шероховатость

Шероховатость поверхности покрытия создается частицами каменного материала, расположенными в верхней части по­ крытия, и собственной шероховатостью этих частиц. В связи с этим различают макроструктуру и микроструктуру шерохо­ ватости.

Макроструктура имеет шаг в диапазоне Зч-ЗО мм с высо­ той неровностей 0,2ч-10 мм [2].

Микроструктура представляет собой неровности дорожно­ го покрытия с шагом до 3 мм, высотой 2 0 -1 − 6 0 микрон.^

Примерные профилограммы шероховатостей различных покрытий приведены на рис. 2.2 [18]. Можно убедиться в том, что неровности имеют различную геометрическую форму и не­ определимый характер чередования. По мере износа покры­ тия начальная высота неровностей макро- и микроструктуры шероховатости уменьшается, а углы при вершинах неровнос­ тей возрастают с 70ч-120° до 150ч-180° [2].

В настоящее время проводятся обширные исследования по изысканию оптимальных шероховатостей дорожных покрытий, а также путей их получения и сохранения в процессе эксплуа­ тации [19; 20; 21]. При этом за критерий оптимальности при­ нято влияние шероховатости на сцепные свойства опорной по­ верхности во влажном или загрязненном состоянии.

39

CL

Рис. 2.2. Профилограммы шероховатостей поверхности автомобиль­ ных дорог с твердым покрытием:

а — асфальт; б — бетонное покрытие новое; в — бетонное покрытие изношенное; Іі — высота микроиеровностей, мм; і — длина микронеровностей, мм.

Путем периодической поверхностной обработки с примене­ нием шероховатых каменных материалов возможно поддержа­ ние оптимальной шероховатости на асфальтобетонных покры­ тиях в течение длительного времени. С этой же целью иногда проводится рифление поверхностного слоя специальными кат­ ками на глубину до 5 мм.

40

Сцепные свойства

Согласно современной теории силы внешнего трепня обус­ ловлены адгезионным взаимодействием контакта трущихся тел и сопротивлением объемному деформированию материала, обтекающего неровности.

Адгезионное взаимодействие определяется площадью фак­ тического контакта тел, а деформационная составляющая си­ лы трения зависит от степени деформирования материала тру­ щихся тел.

Площадь фактического контакта зависит от частоты и ров­ ности взаимодействующих поверхностей, причем, как правило, повышение ровности приводит к увеличению адгезионных свя­ зей. Для повышения деформационной составляющей необходи­ мо увеличить взаимное внедрение неровностей более твердого тела в поверхность менее твердого тела.

На чистых и сухих опорных поверхностях адгезионная и деформационная составляющие силы трения по величине час­ то равноценны. При загрязнении или увлажнении контакта адгезионные связи нарушаются, деформационная составляю­ щая становится определяющей развиваемой силы трения.

На величину силы трения влияют многочисленные факто­ ры, характеризующие природу и условия контактирования рассматриваемых тел, поэтому получение надежных и воспро­ изводимых значений коэффициентов трения требует исключи­ тельной тщательности в подготовке и проведении замеров (22]. В связи с этим имеющийся обширный эксперименталь­ ный материал по исследованию сцепных свойств дорожных по­ крытий можно использовать лишь для качественной характе­ ристики особенностей их взаимодействия с автомобильным колесом.

При анализе процесса торможения необходимо знание не только усредненной характеристики сцепных свойств опорной поверхности, но также важны диапазон и интенсивность изме­ нения этих свойств для смежных участков дороги.

В этом плане представляют большой интерес данные о ло­ кальных изменениях коэффициентов сцепления, приведенные в работах отечественных и зарубежных исследователей [1; 21; 23; 24]. Согласно этим данным сцепные свойства дороги изме­ няются в широких пределах по ширине и длине обследован­ ных участков.

На рис. 2.3 показано характерное для дорог изменение ко­ эффициента сцепления в поперечном профиле дороги [24], а

41

0,8

^ бо Л Л п п зп н ш з п ш а н п ь

Полосы н ак ат а- - - - Сухоепокрытие

по ширине дорожного покрытия.

на рис. 2.4 приведены данные о распределении коэффициента сцепления на различных дорогах во влажном состоянии.

Приведенные графики подтверждают нестабильность сцеп­ ных свойств реальных опорных поверхностей и позволяют, в первом приближении, судить о возможной интенсивности из­ менения этих свойств на пути торможения.

Появление на проезжей части дорог снега и льда полно­ стью изменяет первоначальные сцепные свойства и механизм образования сил трения [27]. В этом случае на величину си­ лы трения основное влияние оказывает температура трущих­ ся поверхностей [28], также влажность п плотность снежного покрова [29]. Это обстоятельство в значительной степени уве­ личивает нестабильность сцепных свойств опорной поверхнос­ ти и усложняет их количественную оценку.

42

Рис. 2.4. Статистическая функция распределения коэффициента сцепления на дорогах с увлажненным покрытием:

На рис. 2.5 приведены результаты замера коэффициента сцепления на различных зимних опорных поверхностях и раз­ личных температурах окружающего воздуха. Коэффициент замерялся методом буксирования динамометрического прице­ па с заблокированным колесом со скоростью 30ч-40 км/час [28]. Полученный при этом разброс экспериментальных точек свидетельствует о большой нестабильности сцепных свойств обследованных опорных поверхностей и затрудняет установ­ ление каких-либо количественных зависимостей. Несколько меньший разброс значений коэффициента сцепления обычно получается по результатам испытаний многоколесных автомо-

43

Рис. 2.5. Коэффициент сцепления на различных зимних опорных поверхностях в зависимости от температуры по результатам испыта­ ния шины I65SR 13 методом блокирования со скорости 30-^-40 км/час:

О — снег; ф — лед; ▼ — снег с грязью.

бплей и динамометрических прицепов. В данном случае умень­ шение разброса, возможно, обусловлено тем, что сцепные свойства оцениваются по суммарному взаимодействию не­ скольких колес, контактирующих с различными участками опорной поверхности.

Существенное влияние методики замера на величину коэф­ фициента сцепления оправдывает ведущиеся сейчас попеки способов косвенной оценки сопротивления скольжению шин

44

по мокрым поверхностям (способ стереофотографии, оптиче­ ский способ, ультразвуковой способ п т. д.) [24].

§ 2. Нормальные нагрузки, действующие на автомобильное колесо

Статическая нагрузка

Статическая нормальная нагрузка на автомобильное коле­ со зависит от величины и положения равнодействующей силы тяжести автомобиля относительно контакта колеса с опорной поверхностью. Изменение степени загруженности автомобиля и характера размещения груза по длине и ширине грузовой платформы или пассажирского салона вызывает соответству­ ющее изменение статической нагрузки.

Учитывая диапазон изменения веса автомобилей при раз­ ной степени загруженности, а также возможное отклонение положения центра тяжести от расчетного, можно произвести количественную оценку изменения статической нагрузки для различных типов автомобилей.

В таблице 2.3 приведены расчетные данные изменения

За 100% принята номинальная статическая нагрузка на колесах для полностью загруженного автомобиля.

Из таблицы следует, что нормальная статическая нагрузка на колесах может изменяться в значительном интервале, в частности, у грузовых автомобилей и автобусов на задних ко­ лесах она изменяется почти в 3 раза. Для легковых автомо­ билей это изменение значительно меньше.

Динамическая нагрузка .

При качении колеса начальная статическая нагрузка мо­ жет существенно изменяться за счет инерционных сил, сил сопротивления движению и изменения координат центра при-

45

ходящейся на колесо массы. Степень и скорость изменения нормальной нагрузки зависят от сочетания п интенсивности действия перечисленных факторов.

Движение на высоких скоростях по неровным дорогам с высокими замедлениями или ускорениями сопровождается значительным изменением нормальных нагрузок. Согласно опытным данным [30; 25] нагрузка на колесе циклически из­ меняется, причем преимущественно с частотой, равной соб­ ственной частоте колебаний неподрессоренной массы автомо­ биля. Этими же опытами установлено, что величины динами­ ческих нагрузок распределяются по нормальному закону с математическим ожиданием, равным статической нагрузке, и средним квадратическим отклонением, зависящим от условий и режима движения автомобиля.

В таблице 2.4 приведены параметры распределения дина­ мических нагрузок, действующих на переднее правое колесо автомобиля ЗИЛ-130 при движении его по различным до­ рогам.

При торможении имеет место динамическое изменение нормальной нагрузки в связи с действием общего замедления.

46

Характер этого изменения зависит от закона создания тор­ мозных сил и параметров колебательной системы автомоби­ ля. Кроме того, продолжается воздействие неровностей на ко­ лебательную систему автомобиля, характеристика которой может изменяться за счет действия тормозных сил.

На рис. 2.6 приведены гистограммы распределения дина­ мических нагрузок на задних колесах седельного тягача боль­ шой грузоподъемностью при установившемся движении и при торможении его со скорости 40 км/час (ИУ-7). Сравнение гис­ тограмм, полученных при свободном движении и торможении тягача, показывает некоторое повышение плотности распре­ деления нагрузок в левых половинах гистограмм для тормоз­ ного режима, однако общий характер распределения сущест­ венно не изменяется.

§ 3. Боковые силы, действующие на автомобильное колесо

Проведенный анализ ряда исследовательских работ пока­ зывает, что в реальных условиях движения автомобильного колеса на него, практически всегда, действует боковая сила. По результатам этого анализа составлена таблица 2.5, в ко­ торой перечислены наиболее характерные причины, вызываю­ щие появление боковой силы, возможная величина этой силы и скорость ее изменения. Величины боковой силы представле­ ны их отношением к статической нормальной нагрузке на ко-

da,,

производной по времени от этого отношения, т. е. —гг-

Регистрация траектории движения автомобиля свидетель­ ствует о непрерывном изменении положения его продольной оси в пространстве, т. е. фактическая траектория движения автомобиля состоит из сопряженных криволинейных участков [31]. Это вызвано возмущающим воздействием дорожных не­ ровностей, воздушных потоков, зазорами в рулевом управле­ нии, биением колес и т. д. с последующим управляющим воздействием водителя для сохранения направления дви­ жения.

Непосредственные замеры боковых ускорений на прямых участках дорог с твердым покрытием показывают, что 60-ь -f-70% пути автомобиль проходит с центробежным ускорени­ ем, достигающим 1 м/сек2. Если учесть, что углы поворота

47