Глава 1. Основы теории колесного движителя

1.1. Основные положения

Колесный движитель - взаимодействующий с опорной поверхностью рабочий механизм автомобиля, с помощью которого осуществляется дви­жение автомобиля и его управление.

При взаимодействий колеса с дорогой деформируются как колесо, так и опорная поверхность. Поэтому возможны два режима качения: качение деформируемого колеса по недеформируемой поверхности и качение деформируемого колеса по деформируемой поверхности. Мы будем изучать качение деформируемого колеса по недеформируемой поверх­ности,

Общее число колес и число приводных колес выражается колесной формулой. Колеса, к которым подводится мощность, называются ведущими. Колеса, к которым мощность двигателя не передается, называются ведомыми.

Колёсные формулы современных автомобилей: 4x2 (ГАЗ-53А); 4x4 (ГАЗ-66); 6х6 (ЗИЛ-131, КамАЗ-4310, Урал-4320); 8х8 (135 ЛМ, МАЗ-543, МАЗ-7311); 12х12 (МАЗ-547А, MA3-547B) и 16х16 (МАЗ-79221).

Автомобили со всеми ведущими колёсами называются полноприводными. Автомобили с числом осей больше двух, но не всеми ведущими колесами (например, КамАЗ-5320) называются многоприводными или неполноприводными.

Полноприводные автомобили называют автомобилями повышенной проходимости, а полноприводные плавающие автомобили – автомобилями высокой проходимости.

Применяются следующие варианты расстановки колес.

1. На трехосных автомобилях:

а) со сближением задних колёс - 1+2 (ЗИЛ-131, КамАЗ-4310, Урал-4320, КрАЗ-260 т.д.);

б) равномерная – 1+1+1 (БАЗ-5937).

2. Четырехосные автомобили:

а) со сближением средних колес - 1+2+1 (135 ЛМ);

б) со сближением крайних колес – 2+2 (СКШ МАЗ-543);

в) равномерная – 1+1+1+1 (БTP-60ПБ, БТР-70, БТP-80).

На современных автомобилях применяются следующие схемы управления колесами:

а) трехосные автомобили с передней управляемой осью - 1-00 (ЗИЛ-131, КамАЗ-4310, КрАЗ-260, Урал-4320);

б) трехосные автомобили с передней и задней управляемыми осями – 1-0-3 (БA3-5937);

в) четырехосные автомобили (МАЗ-537, 543, 7911) с двумя передними управляемыми осями - 12-00;

г) четырехосные автомобили (ЗИЛ-135ЛМ) с передней и задней управляемыми осями - 1-00-4;

д) шестиосные автомобили с тремя передними управляемыми осями – 123-000 (МАЗ-547А, 547В);

е) восьмиосные автомобили с тремя передними и тремя задними управляемыми осями - 123-00-678 (МАЗ-7922Т).

Радиусы автомобильного колеса

Свободный радиус колеса r_о - половина незагруженной час­ти колеса. Например, для шин 14х20: r_о = (В +d/2) · 25,4 = ( ) · 25,4 = 609,6 мм.

Статический радиус колеса r_с - расстояние от цент­ра неподвижного колеса, нагруженного нормальной силой, до опорной поверхности.

Динамический радиус r_д - расстояние от центра катящегося колеса до опорной поверхности при его качении под воздействием приложенных к нему сил и моментов.

Радиус качения (кинематический радиус) r_к - расстояние от центра (оси колеса) до мгновенного центра, который может находиться в плоскости дороги (чистое качение колеса), ни­же плоскости дороги - ведомое колесо, выше плоскости дороги - ведущее колесо.

Академиком Чудаковым Е.А. установлена следующая зависи­мость для определения радиуса качения колеса

, (1)

где r_о - свободный радиус колеса, мм;

λ - коэффициент тангенциальной эластичности шин, мм/Н;

Р_к - толкающая сила или сила тяги на колесах, Н;

+ - ведомое колесо;

- - ведущее колесо.

Буксование и юз автомобильного колеса

На рис. 1 представлена схема катящегося колеса

Каждая точка колеса, например «а» участвует в двух видах движения:

а) переносном (вместе с автомобилем) со скорость U;

б) относительном (относительно оси колеса) с линейной скоростью U_o (или угловой скоростью ω_к).

Как видно из рис.1, абсолютная скорость любой точки колеса равна сумме переносной и относительной скоростей

(2)

При этом возможны три случая:

а) если мгновенный центр лежит ниже плоскости дороги (точка а”), то абсолютная скорость колеса будет больше нуля (это юз, что характерно для ведомого колеса Р_к > 0 );

б) если мгновенный центр лежит выше плоскости дороги (точка а), то абсолютная скорость колеса будет меньше нуля (это буксование, что характерно для ведущего колеса Р_к < 0);

в) если мгновенный центр лежит в плоскости дороги (точка а), то абсолютная скорость колеса будет равна нулю (качение без скольжения или чистое качение).

Как уже было сказано, абсолютная скорость любой точки колеса равна сумме переносной и относительной скоростей и определяется по формуле (2).

В таком случае:

1. В центре колеса U₀ = 0 и V = U.

2. В плоскости дороги мы получим V = U – U_0.

Безусловно, нас интересует все, что происходит в плоскости дороги. Так, если U > U₀, то будет юз, а если U_о > U, то происходит буксование.

Автомобильные шины имеют следующие физические характеристики:

1. Нормальная (или радиальная) деформация, которая характеризуется коэффициентом нормальной (радиальной) эластичности шин – С (мм/кгс или мм/Н).

Рис. 1. Схема качения автомобильного колеса

Pиc. 2. Проекция главного вектора на оси

2. Продольная (тангенциальная) эластичность - λ (мм/кгс или мм/Н).

3. Боковая эластичность – К (град/кгс или град./Н).

4. Упругое скручивание (угловое) шин - коэффициент m (град/кгс или град/Нм).

Все эти коэффициенты определяются только экспериментально. Они имеют большое значение для получения высоких эксплуатационных характеристик автомобилей.

Силы и моменты, действующие на автомобильное колесо

Согласно теореме теоретической механики о главном векторе и главном моменте к колесу приложены: сила и момент величины векторные.

Применим эту теорему к автомобильному колесу и на основе этого поясним природу сил и моментов, действующих на автомобильное колесо.

Для определения сил и моментов, действующих на автомобильное колесо, и понимания их природы, спроектируем силу и момент на оси X, Y и Z (рисунки 2,3).

Здесь:

Р_х – сила тяги (ведущее колесо) или толкающая сила - сила, прило­женная от рамы к колесу (для ведомого колеса); тормозная сила (при торможении автомобиля);

Р_у - боковая сила (или противоположно направленная ей боковая реакция), возникающая, например, при повороте автомобиля;

Р_z - вертикальная нагрузка на колесо или противоположно направленная ей нормальная реакция;

М_х – момент, действующий в плоскости колеса (это произведение силы тяги Р_х на динамический радиус колеса), М_х = Р_х r_д;

М_у – момент, действующий в поперечной плоскости (это произведение силы Р_у на динамический радиус колеса) М_у = Р_у r_д;

М_Z – момент, действующий относительно оси Z (момент упругого скручивания шины относительно оси Z)

где m – коэффициент упругого скручивания шины;

φ – угол скручивания; φ = f (m,G_k, P_o и R).

Рис.3. Проекция главного момента на оси

Режимы качения колес

В зависимости от характера сил и моментов, действующих на колесо (они только что рассмотрены нами), различают следующие режимы качения колес.

1. Ведущий: М_к > 0 и Р_к < 0

2. Свободный: М_к > 0 и Р_к = 0

Пример: одноколесный велосипед в цирке в положении равновесия (когда нет поступательного движения).

3. Нейтральный: М_к > 0 и Р_к > 0

Пример: колеса застрявшего автомобиля, который толкает взвод солдат, то есть к колесам застрявшего автомобиля дополнительно (со стороны рамы) прикладывается сила Р_к.

4 . Ведомый: М_к = 0 и Р_к > 0

Пример: толкающая сила подводится от рамы к колесу (неполноприводной автомобиль).

5 . Тормозящий: М_к < 0 и Р_к > 0