Вопрос 1. Взаимодействие воинского движения с дорогой

Взаимодействие автомобиля и дороги представляет собой сложный процесс, анализ которого позволяет оценить устойчи­вость автомобиля, влияние внешней среды на условия движения и механические воздействия на дорожную одежду. Указанное взаимодействие принято характеризовать следующими показателями:

• размером нагрузки Gк;

• средним давлением по площади отпечатка колеса p;

• интервалом приложения нагрузки t_n;

• прогибом (деформацией) покрытия l;

• сопротивлением качению f;

• сцеплени­ем колеса с покрытием φ и др.

Воздействие колесных нагрузок на дорогу передается через их ходовые части в местах контакта с дорожным покрытием. Колеса передают на дорогу статические нагрузки при стоянке машин и кратковременные динамические при их движении. Продолжитель­ность воздействия колеса на дорогу при движении машины колеб­лется от 0,01 до 0,5 с в зависимости от скорости. При высокой ин­тенсивности потока воздействие нагрузки на дорогу может повто­ряться через каждые 1,5….6,0 с.

При движении машины по неровной поверхности дороги дав­ление колес на покрытие возрастает. Отношение напряжения, вызванного динамическим действием нагрузки, к напряжению, вызванному статическим действием той же нагрузки, называют динамическим коэффициентом. При движении по ровному капи­тальному покрытию динамический коэффициент не превышает 1,15. На неровной проезжей части такого покрытия при скорости 50 км/ч динамический коэффициент достигает 3,0 и в дальнейшем остается практически постоянным. На дорогах с переходными и низшими типами покрытий динамический коэффициент достигает максимального значения (Кд=2,5) уже при скорости 20 км/ч, а затем, с повышением скорости, его значения уменьшаются.

При стоянке автомобиля колесо передает на покрытие нагруз­ку Gk (рис.3.1.а). Нормальная реакция дороги R=Gк приложена в центре следа колеса. В этом случае взаимодействие автомобиля с дорогой можно характеризовать нагрузкой Gк, эллиптической площадью отпечатка колеса S и средним контактным давлением р=Gk /S. Для упрощения в расчетах принимают не эллиптическую площадь отпечатка, а круглую с приведенным по площади отпечатка диаметром

Для современных войсковых автомобилей диаметр отпечатка D изменяется в пределах 25 ... 40 см, его площадь S от 400 до 1000 см², удельное давление от 0,3 до 0,85 МПа.

Рис. 3.1. Схема передачи нагрузки колесом автомобиля на дорогу:

а — неподвижное колесо; б — движущееся ведущее колесо; в— движущееся ведомое колесо; Q — нагрузка; R — реакция дороги; l — деформация покрытия; J_n — деформация покрышки колеса; L — длина отпечатка колеса; S — площадь отпечатка колеса; в — ширина отпечатка колеса; D — приведенный диаметр отпечатка колеса; Р — среднее контактное давление; Рmах — максимальное контактное давление; М_к — крутящий момент; г_к — ради­ус качения колеса; е — смещение точки приложения нормальной реакции; Р_к — сила тяги ведомого колеса; Т — горизонтальная реакция покрытия; V — вектор скорости колеса автомобиля

По характеру взаимодействия колеса движущегося автомобиля с дорожным покрытием принято различать:

взаимодействие ведущего и ведомого колес с покрытием;

взаимодействие колес с покрытием при движении машины по криволинейному участку, при трогании и торможении машины.

При движении ведущего колеса по дороге (рис. 3.1.б) на него кроме нагрузки G_к и нормальной реакции R действует вращающий момент

где М_d - вращающий момент на валу двигателя;

-механический коэффициент полезного действия трансмиссии автомобиля: для двухосных грузовых автомобилей и автобусов — 0,9; для трехосных автомобилей — 0,8; для легковых машин — 0,92;

i₀ — передаточное число главной передачи;

i_k— передаточное число коробки передач.

Момент М_к вызывает в плоскости следа колеса появление окружной силы Р_k, направленной в сторону, противоположную движению, и стремящейся сдвинуть верхний слой покрытия, которая определяется по формуле:

,

где r_k – радиус качения, определяемый как

,

где r_o — радиус колеса;

 - коэффициент сжатия шины, для войсковых автомобилей = 0.93... 0,96.

Под воздействием окружной силы Р_k в мгновенном центре скоростей — точке “О” возникает противоположно направленная тяговая сила P_t, вызывающая поступательное перемещение автомобиля.

Из равновесия сил, приложенных к ведущему колесу, можно установить:

где a — смещение точки приложения нормальной реакции колеса.

Преобразуя выражение (3.2), получаем:

Обозначив и приняв и , запишем:

где — сила сопротивления качению;

f— коэффициент сопротивления качению.

Выражение (3.4) показывает, что часть окружной силы Р_k расходуется на преодоление силы сопротивления качению P_f , которая выражается затратой энергии на деформирование дорожной конструкции l и сжатие шины λ. Чем больше P_f , тем ниже значение тяговой силы P_т, выше расход топлива, смазочных материалов, ниже скорость движения автомобиля (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Соотношение транспортно-эксплуатационных показателей.

№ п/п	Тип покрытия	Коэффи-циент сопротив-ления качению	Скорость, км/ч.	Расход топлива	Межре-монтный пробег	Стои-мость перевозок
1	Цементобетонные, асфальтобетонные	0,015… 0,020	1	1	1	1
2	Черные щебеночные и гравийные	0,020… 0,025	0,95	1,05	0,91	1,2
3	Щебеночные и гравийные	0,030… 0,070	0,7…0,8	1,1	0,83	1,4
4	Булыжная мостовая	0,040… 0,050	0,65	1,3	0,83	1,6
5	Грунтовая дорога в сухое время	0,06… 0,07	0,40	1,6…1,8	0,51	1,85
6	Грунтовая дорога, неровная и увлажненная	0,07… 0,15	0,1…0,2	2…3	0,15… 0,45	2,1…3,5

На ровных покрытиях сопротивление качению снижается с возрастанием давления воздуха в шине и прочности дорожных одежд и возрастает с уменьшением ровности покрытия и увеличением скорости движения машины.

При низких скоростях коэффициент f почти не меняется и для скорости до 20 км/ч его можно принять постоянным. При дальнейшем росте скорости коэффициент f повышается, так как шина в зоне контакта с покрытием не успевает полностью распрямиться и колесу возвращается меньшая доля энергии, затраченной на деформирование шины. Значение коэффициента сопротивления ка­чению для любой скорости определяется зависимостью

где f₂₀ — коэффициент сопротивления качению при скорости 20 км/ч;

K_f — коэффициент повышения сопротивления качению (для легковых автомобилей K_f = 0,00025, для грузовых — 0,0002).

В справочной и нормативной литературе значения f приведены для скорости 20 км/ч, поэтому при расчетах эти значения следует приводить к соответствующей скорости по формуле (3.5).

На ведомое колесо (рис.3.1.в) действует сила тяги P_т. Горизонтальная реакция покрытия P_p = P_т направлена в сторону, противоположную движению. Вертикальная сила реакции покрытия R так же, как и в случае ведущего колеса, смещена по ходу движения на а .

Равновесие сил, приложенных к ведомому колесу, определяется уравнениями:

; ; (3.6)

Отсюда

Следовательно, для ведомого колеса сила тяги определяется силой сопротивления качению.

Реализация силы тяги зависит от силы трения между протектором шины колеса и поверхностью покрытия. В практике вместо понятия силы трения часто используют равноценное понятие силы сцепления Т и связанного с ней коэффициента сцепления  :

, (3.7)

где G_сц — нагрузка, приходящаяся на ведущие колеса автомоби­ля (сцепной вес).

Движение автомобиля по дороге становится возможным, если сила сцепления в зоне контакта равна или больше силы тяги, т. е. ТР_т , а сила тяги больше суммы дорожных сопротивлений (∑P_дi )

Тогда основное уравнение движения принимает вид

(3.8)

где P_дi, — дорожное сопротивление i-го вида.

Если все составляющие сопротивления движению отнести к единице массы автомобиля, основное условие движения примет вид

, (3.9)

где i — уклон, %;

J — коэффициент удельной силы ускорения;

f_b — удельное сопротивление воздушной среды на единицу массы автомобиля.

При P_т  φ G_сц происходит буксование колес автомобиля. Из всего сказанного можно сделать вывод о том, что коэффициент сопротивления качению и коэффициент сцепления являются важнейшими характеристиками, выражающими эксплуатационное состояние проезжей части дороги. В связи с этим необходимо стремиться обеспечивать максимальные значения коэффициента сцепления и минимальные значения коэффициента сопротивления качению.

В расчетах необходимо учитывать различные значения коэффициентов сцепления: φ — коэффициент сцепления дороги при движении ма­шины в плоскости качения без скольжения и буксования; φ₁ — при движении в плоскости качения при скольжении и буксовании (коэффициент продольного сцепления); φ₂ — при боковом заносе (коэффициент поперечного сцепления). На коэффициент сцепления оказывают влияние различные факторы и прежде всего влажность и ровность покрытия дороги, давление воздуха в шинах и скорость движения автомобиля.

В нормативных документах обычно приводятся значения коэффициентов сцепления для скорости 60 км/ч. Чтобы перейти к другой скорости движения, эти значения нужно пересчитывать по формуле

(3.10)

где βφ— коэффициент изменения сцепных качеств от скорости движения машины; его значения принимаются по табл.3.2.

Таблица 3.2

Значение коэффициентов сцепления.

№ п/п	Покрытие	φ60 и β для гладкой ширины на покрытии
		эталонном (сухом)		мокром, чистом		мокром, грязном
		φ60	βφ	φ60	βφ	φ60	βφ
1	2	3	4	5	6	7	8
1	Цементобетонные	0,45… 0,55	0,002	0,35… 0,40	0,003	0,20… 0,30	0,0025
2	Асфальтобетонной с шероховатой обработкой	0,40… 0,50	0,003	0,30… 0,40	0,003	0,20… 0,30	0,003
3	Горячий асфальтобетон без шероховатой обработки	0,45… 0,55	0,002	0,25… 0,35	0,003	0,15… 0,25	0,0025
4	Холодный асфальтобетон	0,30… 0,40	0,0035	0,20… 0,30	0,003	0,15… 0,20	0,0025
5	Черное щебеночное и черное гравийное	0,25… 0,35	0,003	0,20… 0,30	0,0035	0,10… 0,20	0,0025
6	Щебеночное и гравийное	0,30… 0,35	0,003	0,15… 0,25	0,0035	0,10… 0,20	0,0025

При торможении колеса автомобиля часто возникают большие касательные усилия, приводящие к истиранию протектора шины и повышенному износу дорожного покрытия. При этом тормозная сила составляет

где Gkt— масса автомобиля, приходящаяся на тормозные колеса.