К внешним силам, моментам и реакциям, приложенным к катящемуся колесу со стороны автомобиля (ГОСТ 17697—72), относят нормальную нагрузку колеса Pz, продольную Рх и боко­вую Ру силы колеса — составляющие равнодействующей всех сил, направленные перпендикулярно соответственно опорной, поперечной и продольной плоскостям колеса; крутящий М, поворачивающий Мп, опрокидываю­щий Моп моменты колеса, дей­ствующие соответственно в плоскости вращения колеса, плоскости, параллельной опор­ной плоскости колеса, и в поперечной плоскости колеса.

В ре­зультате действия этих сил и моментов колесо со стороны дороги воспринимает нормаль­ную Rz, продольную Rxи бо­ковую Ry реакции опорной поверхности, являющиеся равно­действующими элементарных реакций в соответствующих направлениях.

Рис.  50.  Схема  внешних  сил, шин   на  колесо

Схема основных внешних сил, моментов и реакций, дей­ствующих на автомобильное колесо при установившемся движении по кривой радиуса R показана на рис. 50.

Нормальная нагрузка как результат действия веса автомо­биля и груза, а также динамических сил при движении может достигать любых значений, определяемых приложенной к ко­лесу нагрузкой. Продольная и боковая силы обычно ограничены по величине сцеплением шины с дорогой. Все силы и реакции способствуют возникновению в трех взаимно перпендикулярных плоскостях моментов, действующих на диск колеса.

Приведенные соотношения справедливы при условии совпа­дения привалочной поверхности диска с центром основания обо­да, т. е. когда вылет обода равен нулю. Однако для большин­ства автомобильных колес это условие не выполняется, и привалочная поверхность диска смещена вдоль оси обода.

Вылет обода колеса определяют конструктивные особенности конкретного автомобиля и в процессе эксплуатации вылет оста­ется без изменения. Динамический радиус колеса, равный рас­стоянию от центра катящегося колеса до опорной поверхности дороги, в процессе движения автомобиля меняется. Его значе­ния зависят от действия внешних сил, внутреннего давления воздуха в шине, скорости движения и других факторов. На до­рогах с твердым покрытием динамический радиус мало отлича­ется от статического радиуса. Поэтому в расчетах можно ис­пользовать статический радиус колеса — расстояние от центра неподвижного колеса, нагруженного только нормальной нагруз­кой, до опорной поверхности дороги. Его значение приводят в технической характеристике шины. В случае отсутствия значения радиуса в технической характеристике его можно определить по эмпирической зависимости

Re = D/2 + H(l-kh),

Где D— посадочный диаметр обода; Н — высота профиля шины; 7.h— коэффициент радиальной деформации шины, равный для стандартных и широкопрофильных шин 0,1—0,16, для арочных Н1ИН-И пневмокатков 0,2—0,3.

Рассмотрим характер изменения внешних сил, действующих на колесо, при статическом и динамическом режимах работы колеса. Когда автомобиль установлен на ровной горизонтальной площадке, на колесо действует статическая нормальная нагруз­ка. В процессе проектирования автомобиля необходимо доби­ваться такого распределения полной массы по осям, при кото­ром максимально используется грузоподъемность шины. Это сложная задача и на практике ее не всегда успешно решают. Недоиспользование грузоподъемности шин снижает эксплуата­ционные свойства автомобилей.

В процессе качения колеса нагрузки, обусловленные дейст­вием инерционных сил, сил сопротивления движению, профилем дороги, упругими характеристиками подвески и шин, а также другими факторами, существенно отличаются от статических нагрузок. Соотношения между силами Pz, Pxи Ру и их реакция­ми во многом определяются сцеплением шин с дорогой. Элемен­тарные реакции, действующие на шину, распределяются по пло­щади пятна контакта неравномерно [8]. Значения реакций Rxи Ryопределяются характером распределения давлений в пятне контакта, типом и состоянием дорожного покрытия, конструк­цией шины и состоянием ее протектора, скоростью движения автомобиля и могут изменяться от нуля до произведений соот­ветственно HxR2и \iyRz, где цх и цу коэффициенты соответствен­но продольного и поперечного сцепления шины с дорогой. Не­смотря на то что значения цх и цу несколько различаются, в расчетах при определении нагрузок, действующих на колеса, принимают \ix = \iy = ii(табл. 3).

Равнодействующая Rx продольной Rxи боковой Ry реакций расположена в плоскости дороги и равна их сумме. Для пред­отвращения скольжения колеса необходимо, чтобы сила сцеп­ления шины с дорогой была больше равнодействующей, т. е.

Таблица  3

Коэффициенты сцепления колес в зависимости от дорожного покрытия при различных шинах

Rz = V Rl-\-R2y 

Это позволяет определить максимально допустимую по усло­виям скольжения боковую реакцию  R\ + R2y = Rx< \Rz, откуда

Ry< У R\\P— R Из неравенства видно, что на сцепление шины с дорогой в значительной степени влияют тяговая или тормозная сила, а когда какая-либо из этих сил достигает мак­симального значения, равного iiRz, достаточно незначительной боковой силы, чтобы вызвать скольжение колеса.

Проходимость автомобиля чаще всего ограничивается сцеп­лением шин ведущих колес с грунтом, не позволяющим реализо­вать максимальную силу тяги, развиваемую двигателем на ко-

Лесе. На сцепление шины большое влияние оказывают рисунок протектора и среднее давление в зоне контакта шины с дорогой, которое определяется как отношение нагрузки, приходящейся на колесо, к площади контакта Ph = Rz/Fh - Для улучшения сцеп­ных качеств шин на мягких грунтах созданы разнообразные конструкции шин, рисунки протектора и системы регулирования внутреннего давления воздуха. В результате этого буксование колеса наступает только тогда, когда срезаются все выступы грунта, образованные протектором шины. В первом приближе­нии сила, необходимая для срезания выступов,

Rx= ArFr,  (13)

Где <тг— максимально допустимое напряжение среза в грунте; /г— площадь срезаемого протектором грунта.

Площадь FTmFK— FB, где FB— площадь контакта, приходя­щаяся на выступы рисунка протектора.

Из выражения (13) видно, что чем больше площадь сопри­косновения шины с грунтом, тем больше тяговая сила. При движении автомобиля по твердой или скользкой дороге проис­ходит обратное явление — сила сцепления возрастает с увели­чением давления. Объясняется это тем, что при больших давле­ниях элементы шины лучше сцепляются с неровностями дороги.

Для определения максимальной нагрузки, действующей на колесо, продольную Rx и боковую Ry реакции следует опреде­лять при коэффициенте сцепления, равном единице. Влияние продольной реакции на напряженное состояние деталей колес незначительно, поэтому крутящий и поворачивающий моменты в уравнениях (6) и (7), можно приравнять нулю. Тогда макси­мальная нагрузка, действующая на диск, будет определяться только опрокидывающим моментом

Maa = R/-n + RtLl.(14)

Следовательно, при расчетах нужно учитывать действие на ко­лесо нормальной и боковой реакций.

Рассмотренные теоретические предпосылки для определения расчетных нагрузок основывались на взаимодействии колеса с идеально ровной опорной поверхностью. В реальных условиях колесо катится по дороге, имеющей определенный микропро­филь. Дорожные неровности вызывают колебания автомобиля, динамические нагрузки, действующие на водителя, пассажиров и перевозимый груз. К статической нагрузке, действующей в зо­не контакта шины с дорогой, добавляются динамические нор­мальные и горизонтальные составляющие.

Динамические силы, действующие на колесо, не только уве­личивают его нагруженность, но и являются критерием безопас­ности движения на автомобиле, так как динамические силы значительно влияют на характер разгона и торможения автомобиля, а также управления им. В процессе конструирования эти силы являются наиболее важными для определения разме­ров деталей, их прочности и долговечности.

Точное определение нагрузок путем расчетов чрезвычайно трудно, поэтому в настоящее время широко применяют экспе­риментально-теоретические методы изучения процесса эксплу­атационного нагружения колес.

Вначале измерения динамических сил проводили с помощью датчиков, устанавливаемых в дорожном покрытии. Получаемые при этом данные не позволяли полностью описать явления, так как нагрузки определяли в отдельных точках и в течение корот­кого промежутка времени. В дальнейшем были разработаны бо­лее совершенные методы изучения динамического нагружения колес, основанные на измерении радиальных и осевых дефор­маций шин и ободьев, определении ускорений масс кузова и осей, изгибающих моментов осей, и метод непосредственного измере­ния нагрузок с помощью динамометрических ступиц.

Все эти методы можно использовать в условиях дорог с усо­вершенствованным покрытием. При необходимости получить значительный объем измерений, а также замерить динамиче­ские силы, действующие на колеса в условиях бездорожья, наи­более эффективными являются метод, основанный на определе­нии изгибающих моментов осей, метод непосредственного изме­рения нагрузок с помощью динамометрических ступиц.

Исследования по изучению динамической нагруженности колес 7,0—20 с шинами 260—20 на грузовых автомобилях ЗИЛ-130 выполнены в ЦК. ТБ ко­лесного производства. Замеры проводили с помощью динамометрических сту­пиц, устанавливаемых на правые передние и задние колеса. Нагрузка от пол­ного веса автомобиля распределялась между осями следующим образом: на переднюю ось приходилось 25,75 кН, а на заднюю ось — 59,5 кН. Нагруженность колес изучалась на дорогах со следующими покрытиями: с асфаль­тобетонным покрытием хорошего качества, с разбитым щебеночным покры­тием, с сухим грунтовым и булыжным покрытиями. Длина мерного отрезка дороги составляла 2 км. Исследования действия боковых сил на колесо при повороте проводили на ровной асфальтобетонной дороге. Автомобиль пово­рачивали в левую сторону по радиусу 15 м при разных скоростях движе­ния. Режим движения — условия города.

Статистическая обработка результатов измерения нагруженности перед­него правого колеса показала, что в процессе прямолинейного движения авто­мобиля с постоянной скоростью по дорогам, находящимся в хорошем состоя­нии, распределение динамических сил удовлетворительно совпадает с нор­мальным законом распределения. На разбитых дорогах наблюдались отклоне­ния от указанной закономерности. Наименьшую нагруженность динамическими нормальными силами испытывает колесо на асфальтобетонном покрытии. При скорости 60—80 км/ч для переднего правого колеса (статическая нагрузка 13 кН) среднее квадратическое отклонение амплитуды равно 1,44 кН, а макси­мальная сила 18,5 кН.

Когда автомобиль движется по булыжной мостовой со скоростью 40— 50 км/ч, среднее квадратическое отклонение амплитуды равно 3,94 кН, а максимальная сила 35 кН. Эти показатели соответственно в 2,74 и 1,9 раза выше, чем в предыдущем случае. Разбитая щебеночная дорога и сухая грун­товая приводят к почти одинаковому росту нагруженности колес со средним квадратическим отклонением амплитуды 3,1—3,2 кН и с максимальной силой 29,5—30 кН.

В настоящее время проведено значительное число экспери­ментов по определению коэффициента динамичности нормаль­ной нагрузки в зависимости от автомобиля, скорости движения, дорожного покрытия и характеристики подвески. Если автомо­биль рассматривать как двухмассовую систему, то на динами­ческую составляющую нормальной нагрузки колеса наиболь­шее влияние оказывают тип и состояние дорожного покрытия и жесткость шины [9].

Таблица  4 Значения радиальной жесткости шин

Продолжение табл. 4

Незначительными неровностями дороги, схождением и развалом колес, аэродинамическим сопротивлением, поперечными колеба­ниями кузова, а также единичные перегрузки в процессе экс­плуатации не оказывают существенного влияния на сопротивле­ние усталости колес, и поэтому их можно не учитывать. Возник­новение боковых сил в основном связано с изменением направ­ления движения автомобиля. На величину этих сил влияют по­ложение центра тяжести автомобиля, колея и база автомобиля, тип и жесткость подвески и шин.

Измерения динамических составляющих в процессе экспериментов, вы­полненных в ЦК. ТБ колесного производства, проводились в интервале скоро­стей движения автомобиля ЗИЛ-130 15—30 км/ч. При выборе этого диапазо­на скоростей исходили из того, что при скорости ниже 15 км/ч центробежные силы незначительно нагружают колеса, а скорость выше 30 км/ч при малых радиусах поворота автомобиля опасна с точки зрения безопасности движения. Наиболее нагруженным режимом движения автомобиля является движение по грунтовой колейной дороге, сопровождающееся значительными по силе боковыми ударами и требующее постоянного маневрирования. На этом ре­жиме среднее значение боковой силы равно 0,9 кН, среднее квадратическое отклонение составляет 2,76 кН, а максимальная сила для наружного (отно­сительно центра поворота) переднего колеса равна 18 кН, а для внутреннего соответственно 9,5 кН. Наименее нагружено колесо боковыми силами при движении по асфальтобетонному покрытию: среднее значение силы равно нулю, среднее квадратическое отклонение составляет 1,1 кН, а максимальная сила  для  наружного  и  внутреннего  колес  соответственно  равна  3  кН.

Центробежная сила и нормальная нагрузка колес различных автомоби­лей связаны определенным отношением [9], значения которого для сухих по­крытий, обеспечивающих надежное сцепление шины с дорогой приведены ниже.

Грузовые автомобили:

Большой грузоподъемности.......................................   0,35—0,4

Малой   »  ................ ....... 0,5—0,6

Легковые автомобили  ...........................   0,7—0,8

Спортивные  »  ................... ....... 0,8—0,9

Гоночные  »  ...................   1,2—1,4

Рис.  51.  Бортовая  закраина  плоского  обода  и  эпюра  сил,  действующих  на  нее

В связи с перераспределением нагрузки между внутренним и наружным колесами на сдвоенные задние колеса более ин­тенсивно воздействуют внешние силы, чем на передние. Наи­более нагружено внутреннее правое колесо.

Колеса городских автобусов при чрезмерном заполнении пас­сажирами салона испытывают значительные перегрузки. В ре­зультате исследования установлено, что нормальная нагрузка на колесо может возрасти в 2—3 раза. Так, у автобуса ЛиАЗ-677 нормальная нагрузка на колесах передней оси колеблется в диа­пазоне 22—33 кН, а на задней оси — в диапазоне 10,6—32 кН.