Глава 3. Воздействие колес автомобилей на дорожные покрытия

§ 6. Силы, действующие на покрытие, от колес автомобилей. Взаимодействие автомобиля с дорогой изучают в курсе «Изыскания и проектирование автомобильных дорог». На основе установленных закономерностей составляют проекты и в соответствии с ними строят дороги.

В процессе эксплуатации приходится считаться с определенными геометрическими элементами дорог и проверять, в какой степени они удовлетворяют требованиям всевозрастающей интенсивности движения и грузонапряженности, т.е. новой скорости и нагрузки. Эту работу ведут самоходные исследовательские лаборатории, которые автоматически записывают на бумагу или магнитную ленту продольные уклоны дороги, углы поворота, ровность покрытия и др.

На колесо автомобиля, находящегося в состоянии покоя, действует одна сила Q_к. Если бы колесо было жестким, реакция покрытия, равна массеQ_к, была бы направлена вертикально и они уравновешивались бы. В последние годы все колеса автомобилей оборудуют пневматическими шинами, при которых давление от колеса передается через воздушную подушку. Такая подушка образуется в резиновой камере, в которую накачан воздух под давлениемq. В нормальных условияхqколеблется от 0,2 МПа у «Москвича» до 0,6 Мпа у МАЗ-200.

При передаче давления пневматическое колесо в месте соприкосновения с покрытием сплющивается (рис. 8). Величина сжатия шины zсоставляет

z=k_у Q_к,

где k_у– коэффициент, характеризующий упругость шины; для автомобиля «Москвич»z=1 см, для самосвала МАЗz=6 см.

Наибольшая площадь ω следа колеса, имеющая фигуру эллипса с продольной полуосьюа, составляет 300 см²у «Москвича» и 900 у МАЗ-200. У одного и того же находящегося в состоянии покоя автомобиля площадь следа от колеса изменяется в зависимости от нагрузки, причем сохраняется одно и то же удельное давлениеp, так как

P_const=Q_к ω.

Для лучшего сцепления колес автомобиля с поверхностью покрытия покрышки их имеют выступы различного рисунка. При движении по усовершенствованным покрытиям покрышки колеса соприкасаются с ними только выступами.

Наибольшая осевая нагрузка автомобиля на дорогах I-IIкатегории по действующим нормам не должна превышать 10 тс, аIII-IVкатегории – 6 тс. Исключение составляют автобусы, нагрузка на ось которых может на 15 % превышать указанные значения нагрузок. В соответствии с этим удельное давлениеpот колеса на покрытие на всей площади следа на дорогахI-IIкатегории не превышает 0,65 МПа, а для дорогIII-IVкатегории – 0,55 МПа. При учете давления только по площади выступов покрышкиp_воно не превосходит по дорогамI-IIкатегории 0,85 МПа, аIII-Vкатегории – 0,6 МПа.

При определении среднего давления обычно принимают площадь следа в виде круга диаметром D, равновеликим площади эллипса. Для дорогI-IIIкатегории принимаютD=33 см, аIII-VкатегорииD=28 см.

Если бы покрышка была абсолютно упругой, то эпюра удельных давлений pпо площади следа имела бы вид прямоугольника. Ввиду того, что жесткая покрышка воспринимает на себя часть нагрузки, давление по площади следа распределяется неравномерно. Для упрощения расчетов давление принимают равномерным по площади отпечатка, аp_максравным 1,1 – 1,5p_ср.

Давление воздуха в камерах шин q и удельное давление p от колес на площади следа для одного и того же автомобиля с одинаковой нагрузкой при движении по дороге не остаются постоянными. В жаркую солнечную погоду поверхность дорожного покрытия черного цвета может иметь температуру более 70⁰С при температуре воздуха около 30⁰С. Катящееся по горячему покрытию колесо нагревается от соприкосновения с ним, а также в результате трения, ударов о неровности покрытия и т.п. Воздух в камере также нагревается, его давление увеличивается, площадь следа уменьшается и удельное давление на покрытие повышается.

При движении автомобиля с большой скоростью площадь следа колеса бывает меньшая, чем при стоянке автомобиля. При движении наружных колес по кривой от действия центробежной силы и перегрузки они оказывают большее давление на покрытие, чем в состоянии покоя. Отдельные колеса перегружаются при движении на подъеме по выпуклому поперечному профилю, а также при трогании с места.

При ударах колес о выбоины необходимо учитывать динамические воздействия, при которых удельное давление на дорогу сильно возрастает. Значение pповышается при наезде колес на палки и камни. При этом давление от колеса передается не по всей площади его следа, а через меньшую площадь и сопровождается ударом при съезде с предметов. Вследствие возникновения таких динамических сил давление от колесаpможет увеличиваться в 5-6 раз.

Значение pувеличивается, однако, не настолько, чтобы немедленно разрушить материалы покрытий – предел прочности их при сжатии большей частью выше. Но по истечении какого-то времени эксплуатации (иногда сравнительно коротко) материалы, постепенно разрушающиеся под повторными нагрузками, не выдерживают ударных воздействий и дорожные покрытия деформируются и разрушаются.²

Следует учитывать, что дорожные одежды испытывают давление от колес автомобилей как кратковременную нагрузку. Продолжительность ее действия t_нколеблется от 0,01 до 0,3 с в зависимости от скорости движения. С увеличением ее нагрузки от колес грузовых автомобилей могут прикладываться через 1,5-3 с. Частое приложение нагрузок может вызывать остаточные деформации, которые называют усталостными. Частота нагружения, зависящая от интенсивности движения по дороге, имеет такое же важное значение, как скорость движения и величина осевых нагрузок.

Когда автомобиль движется, на ведущее колесо (рис. 8,б) радиусом r_кдействует крутящий моментМ_к=Р_к r_к. Равнодействующая реактивных вертикальных силR расположена на расстоянииd– несколько впередиQ_к по ходу движения. На ободе колеса под влиянием крутящего моментаМ_кдействует сила тягиР_к.

Вследствие того что колесо находится на поверхности покрытия, силе тяги Р_кпротиводействует в плоскости следа сила тренияТ. ВеличинаТвозрастает с понижением давления воздуха в шине. Из Q_к=R;М_к=Тr_к +Rd илиР_кr_к=Тr_к +Rd, откуда

Т=Р_к -Q_к d/r_к,

где d/r_к=f – коэффициент сопротивления качению.

На ровных усовершенствованных покрытиях сопротивление качению относительно невелико (f=0,01÷0,02) и оно не оказывает существенного влияния на движение автомобилей. На покрытиях переходного и особенно низшего типаfувеличивается: на гравийных оно достигает 0,07, а на грунтовых, например, при движении по сыпучему песку – 0,3 и более.

Сопротивление качению колес при других равных условиях зависит от типа покрытия, характеризуемого коэффициентом f, и может снизить скорость движения, а следовательно, его производительность и повысить себестоимость перевозок.

Автомобиль может двигаться тогда, когда Тдостигает наибольшей величины

Т_макс=φQ_кс,

где φ – коэффициент продольного сцепления при движении колеса в плоскости качения, если нет скольжения и буксования (вращения на месте);Q_кс – нагрузка на ведущее колесо (сцепная масса).

В одних и тех же условиях величина φразлична у шин разных типов. У колес с новыми видами шин в тех же условиях движения коэффициент сцепления несколько больший. Шины с шипами, предназначенные для движения во время гололеда, обладают высоким зацеплением с покрытием, которое не может измеряться коэффициентом сцепления (рис. 9). Однако такие шины сильно разрушают покрытия. В связи с этим одна из задач конструкторов и технологов – создание шин без шипов, обладающих большим сцеплением с покрытием и не разрушающих его.

Для одного и того же типа шин при скорости движения, например, 60 км/ч коэффициент продольного сцепления φ изменяется в зависимости от состояния покрытия и составляет следующие величины:

На усовершенствованных, шероховатых, сухих. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . >0,7

« « « мокрых. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,5-0,7

« « « гладких, сухих. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,4-0,6

« « « изношенных, гладких, влажных. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,3-0,4

на слое уплотненного снега на покрытии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,2-0,3

на обледенелом слое снега на покрытии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .0,1-0,2

на усовершенствованных, с тонкой пленкой льда. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,05-0,10

Предельно низким коэффициентом сцепления, когда не обеспечена безопасность движения, считают φ 0,4.

Из приведенных значений φ видно, что безопасное движение автомобилей зависит от состояния дорожного покрытия. Новые покрытия должны быть ровными, заданного геометрического профиля, но с шероховатой поверхностью. На дорогах с интенсивным движением автомобилей под воздействием их колес покрытие выглаживается, шлифуется, становится скользким, и коэффициент сцепления снижается.

Покрытия изнашиваются под влиянием касательных сил, действующих в плоскости следа и вызванных работой шин по преодолению сил трения. Касательные напряжения увеличиваются от комплекса причин, вызывающих проскальзывание покрышки колеса в плоскости следа в условиях нормального качения.

Под нагрузкой, передаваемой на колесо, шина деформируется (рис. 10). При входе в контакт происходит сжатие, а при выходе из контакта – расширение. Путь, проходимый точкой на покрышке в плоскости следа l₁, меньше, чем вне егоl. В плоскости следа точка движения с ускорением, большим по сравнению с тем, с которым она двигалась до входа в контакт с покрытием. В то же время угловая скоростьαв секторах практически одна и та же. Поэтому точка проходит по покрытию путь определенной длины с проскальзыванием вместо одного качения. Под воздействием этих усиленных касательных напряжений в плоскости следа истираются покрытия на всем пути движения автомобиля, а также покрышки. Наибольшая по величине касательная сила, достигающая 0,9Q_к возникает при торможении автомобиля.

Боковые касательные силы действуют на криволинейных участках дорог при обгонах, они появляются также при боковом заносе автомобиля, при поперечном ветре и поперечном уклоне проезжей части. Распределение касательных сил в площади следа и размеры их еще недостаточно исследованы.

При одном и том же покрытии коэффициент сцепления снижается при смачивании покрытия. Особенно низок коэффициент сцепления в начале дождя, когда остатки масел на покрытии еще не смыты и эмульсифицируются. Наименьший коэффициент сцепления характерен для покрытий со слоем уплотненного снега и льда. По величине этого коэффициента можно судить об эксплуатационном состоянии покрытия. Коэффициент сцепления можно назвать коэффициентом эксплуатации, так как он одновременно характеризует и условия движения по дороге и работу дорожников по обеспечению шероховатости покрытия.

Силы, действующие на ведомые колеса, отличаются от системы сил, действующих на ведущие колеса, тем, что вместо крутящего момента М_к колесо приводит в движение сила тягиР_к(см. рис. 8,в).