Какие силы действуют на колесо при движении автомобиля

Сила сцепления колес с дорогой

Трение, возника­ющее между ведущими колесами автомобиля и дорогой, называ­ется силой сцепления. Сила сцепления равна произведению коэф­фициента сцепления на сцепной вес, т. е. вес, приходящийся на ведущие колеса автомобиля. Величина коэффициента сцепления шин с дорогой зависит от качества и состояния дорожного покрытия, формы и состояния ри­сунка протектора ши­ны, давления воздуха в шине.

У легковых автомо­билей полный вес рас­пределяется по осям примерно поровну. По­этому сцепной вес его можно принять равным 50% полного веса. У грузовых автомоби­лей при полной их на­грузке сцепной вес (вес, приходящийся на заднюю ось) составляет примерно 60—70% полного веса.

Величина коэффициента сцепления имеет большое значение для эксплуатации автомобиля и безопасности движения, так как от него зависят проходимость автомобиля, тормозные качества, возможность, пробуксовки и заноса ведущих колес. При незначи­тельном коэффициенте сцепления трогание автомобиля с места со­провождается пробуксовкой, а торможение — скольжением колес. В результате автомобиль иногда не удается тронуть с места, а при торможении происходит резкое увеличение тормозного пути и возникновение заноса.

На асфальтобетонных покрытиях в жаркую погоду на поверх­ность выступает битум, делая дорогу маслянистой и более скольз­кой, что снижает коэффициент сцепления. Особенно сильно снижается коэффициент сцепления при смачивании дороги первым дождем, когда образуется еще не смытая пленка жидкой грязи. Заснежённая или обледенелая дорога особенно опасна в теплую погоду, когда поверхность подтаивает.

При увеличении скорости движения коэффициент сцепления снижается, в особенности на мокрой дороге, так как выступы ри­сунка протектора шины не успевают продавливать пленку влаги.

Исправное состояние рисунка протектора шины имеет большое значение при движении по грунтовым дорогам, снегу, песку, а также по дорогам с твердым покрытием, по покрытым пленкой грязи или воды. Благодаря наличию выступов рисунка опорная площадь шины уменьшается и, следовательно, возрастает удельное давление на поверхность дороги. При этом легче продавливается грязевая пленка и восстанавливается контакт с дорожным покрытием, а на легком грунте происходит непосредственное зацепление выступов рисунка за грунт.

Повышенное давление воздуха в шине уменьшает ее опорную поверхность, вследствие чего удельное давление возрастает на­столько, что при трогании с места и при торможении может произойти разрушение резины и сцепление колес с дорогой уменьшается.

Таким образом, величина коэффициента сцепления зависит от многих условий и может изменяться в довольно значительных пределах. Так как много дорожно-транспортных происшествий происходит из-за плохого сцепления, то водители должны уметь приблизительно оценивать величину коэффициента сцепления и выбирать скорость движения и приемы управления в соответствии с ним.

Разгон, ускорение, накат, торможение.

Ускорением называется прирост скорости за единицу времени. Если мощность двигателя, затраченная на приведение во вращение ведущих колес автомобиля и преодоление сил трения больше, чем суммарная сила сопротивления движению, то автомобиль будет двигаться с ускорением, то есть разгоном. В этом случае можно говорить о том, что крутящий момент на двигателе будет увеличиваться, что и вызовет разгон автомобиля.

Во время движения накапливается определенный запас кинетической энергии и автомобиль приобретает инерцию. Благодаря инерции автомобиль может двигаться накатом. Это происходит тогда, когда двигатель отсоединяется от трансмиссии, а его дальнейшее движение происходит за счет кинетической энергии, накопленной при разгоне.

Торможение как вид изменения движения – это снижение скорости движения, которое может осуществляться по различным причинам и разными способами. Основными видами снижения скорости движения являются:
 

• Снижение скорости за счет потери инерции – при движении на подъеме, при движении накатом;
• Торможение двигателем – когда крутящий момент на двигателе уменьшается (убираем ногу с педали «Газ»), и при включенном сцеплении это вызывает снижение скорости движения автомобиля.
• Торможение тормозной системой – снижение скорости с использованием тормоза.

Дорога – не место для ошибок

Действительно, ведь автомобиль, как физический объект, и законы природы, которым он подчиняется, остаются неизменными в любое время года. Поэтому и не может существовать принципиального различия между поведением водителя на сухой дороге и на скользкой. Другое дело, что более тяжелые условия движения, как, например, зимой, ярче выявляют те ошибки, которые были всегда. Сухая дорога и умеренные скорости способны простить и сгладить многие погрешности водителя, даже грубые. И только Ее Величество Зима во всей красе показывает нам истинное положение наших водительских дел и ставит все на свои места. Скажем ей за это спасибо!

Кстати, обращали ли вы внимание на то, что подавляющее число великих раллистов мира, многократных чемпионов, выходцы из Финляндии? Это страна, которая почти не знает чистого, сухого асфальта! Это люди, которые с самого начала своей водительской и спортивной карьеры были в тяжелых условиях. Северная зима показала им, что же такое на самом деле вождение автомобиля

Мы также можем гордиться – советская раллийная школа занимала видное место в мире. Так, что если гололед повергает вас в ужас, не стоит отчаиваться и ставить автомобиль в гараж до весны – просто пришло время всерьез задуматься над тем, как грамотно водить автомобиль.

Сила трения

Сила трения делится на две основные составляющие: сухое трение и трение вязкости. Сухое трение возникает между гладкой поверхностью дороги и покрышкой колеса. Оно зависит от приложенной к колесу силы и коэффициента трения между покрышкой и дорогой. Чем больше приложенная сила и коэффициент трения, тем больше сила трения.

Трение вязкости возникает в результате смазывания поверхности дороги слоем воды или масла. Оно может быть значительно меньше сухого трения и зависит от скорости движения и вязкости смазывающей жидкости. Вязкость определяется температурой и составом дороги, а также наличием осадков на поверхности дороги.

Сила трения может влиять на эффективность торможения и управляемость автомобиля. Слишком малая сила трения может привести к скольжению колес и потере контроля над автомобилем. Слишком большая сила трения может привести к износу покрышек и увеличению расхода топлива. Однако, оптимальная сила трения необходима для обеспечения безопасности и комфорта при движении автомобиля.

Устойчивость в движении.

Само понятие устойчивости или устойчивого движения автомобиля определяется его способностью сохранять постоянный контакт всех колес с дорогой при отсутствии бокового скольжения. Автомобиль может потерять устойчивость под действием центробежной и разворачивающей силы.

Центробежная сила – возникающая во время движения автомобиля на повороте и направленная  в сторону, противоположную приложенной центростремительной силы. Если центробежная сила не превышает центростремительную силу, то автомобиль движется по устоявшейся кривой поворота. Если же центробежная сила превышает центростремительную силу, то автомобиль выбрасывает с дороги по результирующему вектору, направленному от центра поворота.
 

Разворачивающая сила является следствием несоответствия силы инерции движения и коэффициенту сцепления колес с дорогой. В этом случае она будет направлена в сторону колес с меньшим коэффициентом сцепления, а рычагом разворота автомобиля будет его база. Центром вращения (разворота) будут колеса с большим коэффициентом сцепления.

Результатом действия этой силы будет возникновение бокового заноса автомобиля, а в некоторых случаях, кроме того бокового вращения.
 

В большинстве случаев скользят колеса заднего моста, но с этим можно и нужно бороться. Причинами возникновения бокового заноса чаще всего на скользкой дороге является разгон и торможение. Поэтому для предотвращения тяжелых последствий начинающегося заноса необходимо прекратить начатый разгон или торможение. Необходимо помнить, что при торможении ВСЕГДА задние колеса разгружаются, коэффициент их сцепления с дорогой уменьшается тем больше, чем сильнее мы тормозим! При таком торможении они более всего подвержены блокировке, а автомобиль начинает движение юзом (с заблокированными колесами). При движении юзом автомобиль ВСЕГДА становится неуправляемым, так как невозможно осуществить поворот не вращающимися управляемыми колесами, а при заблокированных колесах тормозной путь ВСЕГДА (в том числе и на сухой дороге) увеличивается!

Если не принять своевременных мер для прекращения бокового заноса и вывода автомобиля из него он, как правило, переходит в неуправляемое боковое вращение. Это гораздо опаснее бокового заноса.

Для прекращения бокового заноса и вывода автомобиля из него нужно повернуть рулевое колесо в сторону заноса. Как только амплитуда заноса станет уменьшаться нужно плавно, опережающими действиями, вернуть рулевое колесо в нейтральное положение, а при необходимости, когда занос пойдет в обратную сторону, и в сторону, противоположную другой амплитуде заноса. Дополнительно:

• на заднеприводных автомобилях плавно уменьшить подачу топлива (плавно убрать ногу с педали «Газ»)
• на переднеприводных автомобилях наоборот, плавно увеличить подачу топлива.

Помимо бокового заноса в повороте на скользкой дороге может возникнуть боковое скольжение. Если при боковом заносе от прямолинейного движения уходит одна, как правило, задняя ось, то при боковом скольжении автомобиль уходит от траектории движения (кривой поворота) всем корпусом (всеми колесами). Да и причины возникновения бокового скольжения иные. Оно возникает тогда, когда водитель повернет управляемые колеса на угол больший, чем способен повернуть автомобиль при текущем коэффициенте сцепления и действующем крутящем моменте на колесах. Особенно ярко это проявляется в повороте с торможением. Для прекращения бокового скольжения необходимо увеличить траекторию движения, и плавно уменьшить подачу топлива.

Во всех случаях возникновения бокового заноса или бокового скольжения, для вывода автомобиля из этих ситуаций водитель должен пользоваться только рулем и педалью «Газ». Запомните: НИКОГДА не нажимать на педаль тормоза, как бы Вам этого не хотелось, не выключать сцепление, и не переключать передачи. Это ВСЕГДА только ухудшает ситуацию!
Влияние центробежной силы на движение автомобиля в повороте столь велико, что водитель просто обязан четко представлять, как действует эта сила на автомобиль. Она будет тем больше, чем больше будет скорость движения, и чем на больший угол будут повернуты управляемые колеса (когда траектория движения будет очень крутой).

Следовательно, влияние этой силы можно уменьшить, зная, чем она вызвана.

Для этого необходимо заблаговременно, до входа в поворот, уменьшить скорость движения до безопасной, а поворот проходить по более пологой кривой, уменьшив угол поворота управляемых колес.

Кинематика и эластокинематика подвески

Во время эксплуатации автомобиля геоме­трия и кинематика подвески колес приводят к изменениям в параметрах подвески колес, например, угла продольного наклона оси по­ворота, положения продольной оси качения и параметров положения, например, развал и схождение соответствующего колеса. Это происходит в результате движе­ний колеса в рамках вертикальной степени свободы, допускаемой подвеской колеса (т.е. при сжатии или отдаче амортизатора) или в результате движений руления у подве­ски с управляемыми колесами. На рис. «Кинематические изменения положения колеса в фазе сжатия амортизатора» по­казаны примеры кинематических изменений углов развала и схождения колес при сжа­тии на длину A_z по сравнению с расчетным положением. Как правило, кинематические изменения положения колеса отображаются с помощью схем перемещения колеса при сжатии и отдаче амортизатора. Так называе­мые «перемещения колеса» для изменений углов развала и схождения, изображенных на рис. а и Ь, показаны на рис. с.

В связи с тем, что кинематические измене­ния параметров подвески колеса и параме­тров положения колеса сильно влияют на хо­довые характеристики автомобиля, большое значение приобретает правильная настройка и координация рулевого управления и кине­матика подъема колеса.

Наряду с кинематическими изменениями па­раметров положения колеса в фазах сжатия и отдачи, силы и крутящий момент, влияю­щие на подвеску колес, например, силы при­вода и торможения, боковые и вертикальные силы в точке контакта колеса с дорогой в сочетании с эластичностью подвески при­водят к дальнейшим изменениям положе­ния колеса. Эластичность подвески колеса получается благодаря деформируемости отдельных компонентов подвески, напри­мер, рычагов и подшипников, нагружаемых при воздействии сил и крутящего момента. По причинам, связанным с комфортабель­ностью езды и акустикой, используемые в современных подвесках крепления обычно являются эластичными (например, сайлент-блоки). На рис. «Эластокинематические изменения угла схождения из-за воздействия продольной силы»  показан пример подвески с двумя сайлент-блоками, установленными на днище автомобиля. Их эластичность при воздействии продольной силы в точке кон­такта колеса с дорогой приводит к эластокинематическому изменению угла схождения колес.

Наряду с кинематическими изменениями положения колес, эластокинематические эффекты также влияют на ходовые харак­теристики автомобиля. Вот почему при ко­ординации кинематики и эластокинематики подвески обычно стремятся к тому, чтобы при воздействии сил и кинематические и эла­стокинематические эффекты дополняли друг друга.

Например, эластокинематическое рулевое управление используется в ряде современ­ных задних подвесок для уменьшения реак­ций изменения нагрузки, например, путем увеличения положительного схождения колес при воздействии тормозных сил на за­дние колеса на внешнем радиусе поворота. Можно влиять на эластокинематические свойства подвески путем координации, к при­меру, эластичности отдельных креплений или регулировки отдельных точек крепления.

Силы, действующие на автомобиль

На автомобиль, независимо от того, движется он или неподвижен, действует сила тяжести (вес), направленная отвесно вниз.

Сила тяжести прижимает колеса автомобиля к дороге. Равнодействующая этой силы, размещена в центре тяжести. Распределение веса автомобиля по осям зависит от расположения центра тяжести. Чем ближе к одной из осей расположен центр тяжести, тем больше будет нагрузка на эту ось. На легковых автомобилях нагрузка на оси распределяется примерно поровну.

Действие силы тяжести на автомобиль

Большое значение на устойчивость и управляемость автомобиля имеет расположение центра тяжести не только в отношении продольной оси, но и по высоте. Чем выше центр тяжести, тем менее устойчивым будет автомобиль. Если автомобиль находится на горизонтальной поверхности, то сила тяжести направлена отвесно вниз. На наклонной поверхности она раскладывается на две силы (см. рисунок): одна из них прижимает колеса к поверхности дороги, а другая стремится опрокинуть автомобиль. Чем выше центр тяжести и чем больше угол наклона автомобиля, тем скорее нарушится устойчивость и автомобиль может опрокинуться.

Во время движения, кроме силы тяжести, на автомобиль действует и ряд других сил, на преодоление которых затрачивается мощность двигателя.

Схема сил, действующих на автомобиль во время движения

На рисунке показана схема сил, действующих на автомобиль во время движения. К ним относятся:

• сила сопротивления качению, затрачиваемая на деформирование шины и дороги, на трение шины о дорогу, трение в подшипниках ведущих колес и др.;
• сила сопротивления подъему (на рисунке не показана), зависящая от веса автомобиля и угла подъема;
• сила сопротивления воздуха, величина которой зависит от формы (обтекаемости) автомобиля, относительной скорости его движения и плотности воздуха;
• центробежная сила, возникающая во время движения автомобиля на повороте и направленная в противоположную от поворота сторону;
• сила инерции движения, величина которой состоит из силы, необходимой для ускорения массы автомобиля в его поступательном движении, и силы, необходимой для углового ускорения вращающихся частей автомобиля.

Движение автомобиля возможно только при условии, что его колеса будут иметь достаточное сцепление с поверхностью дороги.

Если сила сцепления будет недостаточной (меньше величины силы тяги на ведущих колесах), то колеса пробуксовывают.

Сила сцепления с дорогой зависит от веса, приходящегося на колесо, от состояния покрытия дороги, давления воздуха в шинах и рисунка протектора.

Для определения влияния состояния дороги на силу сцепления служит коэффициент сцепления, который определяют делением силы сцепления ведущих колес автомобиля на вес автомобиля, приходящийся на эти колеса.

Коэффициент сцепления с дорогой в зависимости от покрытия

Коэффициент сцепления зависит от вида покрытия дороги и от его состояния (наличия влаги, грязи, снега, льда); величина его приведена в таблице (см. рисунок).

На дорогах с асфальтобетонным покрытием коэффициент сцепления резко уменьшается, если на поверхности имеется влажная грязь и пыль. В этом случае грязь образует пленку, резко уменьшающую коэффициент сцепления.

На дорогах с асфальтобетонным покрытием в жаркую погоду появляется на поверхности маслянистая пленка из выступающего битума, снижающая коэффициент сцепления.

Уменьшение коэффициента сцепления колес с дорогой наблюдается также при увеличении скорости движения. Так, при возрастании скорости движения на сухой дороге с асфальтобетонным покрытием с 30 до 60 км/ч коэффициент сцепления уменьшается на 0,15.

Сила сопротивления подъему

Автомобильная дорога состоит из чередующихся между собой подъемов и спусков и редко имеет горизонтальные участки большой длины.

При движении на подъем автомобиль испытывает дополнитель­ное сопротивление, которое зависит от угла наклона дороги к гори­зонту. Сопротивление подъему тем больше, чем больше вес автомо­биля и угол наклона дороги. При подъезде к подъему необходимо правильно оценить возможности преодоления подъема. Если подъем непродолжительный, его преодолевают с разгоном автомобиля перед подъемом. Если подъем продолжительный, его преодолевают на пониженной передаче, переключившись на нее у начала подъема.

При движении автомобиля на спуске сила сопротивления подъе­му направлена в сторону движения и является движущей силой.

Проходимость автомобиля

Проходимостью автомобиля называется его способность двигаться по плохим дорогам и в условиях бездорожья, а также преодолевать различные препятствия, встречающиеся на пути. Проходимость определяется:

• способностью преодолевать сопротивление качению, используя тяговые силы на колесах;
• габаритными размерами транспортного средства;
• способностью автомобиля преодолевать препятствия, встречающиеся на дороге.

Основным фактором, характеризующим проходимость, является соотношение между наибольшей тяговой силой, используемой на ведущих колесах, и силой сопротивления движению. В большинстве случаев проходимость автомобиля ограничивается недостаточной силой сцепления колес с дорогой и в связи с этим невозможностью использовать максимальную тяговую силу. Для оценки проходимости автомобиля по грунту пользуются коэффициентом сцепного веса, определяемым делением веса, приходящегося на ведущие колеса, на общий вес автомобиля. Наибольшую проходимость имеют автомобили, у которых все колеса являются ведущими. В случае применения прицепов, увеличивающих общий вес, но не изменяющих сцепной вес, проходимость резко снижается.

На величину сцепления ведущих колес с дорогой значительное влияние оказывает удельное давление шин на дорогу и рисунок протектора. Удельное давление определяется давлением веса, приходящегося на колесо, на площадь отпечатка шины. На рыхлых грунтах проходимость автомобиля будет лучше, если удельное давление будет меньше. На твердых и скользких дорогах проходимость улучшается при большем удельном давлении. Шина с крупным рисунком протектора на мягких грунтах будет иметь отпечаток большей площади и имеет меньшее удельное давление, а на твердых грунтах отпечаток этой шины будет меньшей площади и удельное давление увеличивается.

Параметры проходимости автомобиля

Проходимость автомобиля по габаритным размерам определяется по:

• продольному радиусу проходимости;
• поперечному радиусу проходимости;
• наименьшему расстоянию между низшими точками автомобиля и дорогой;
• переднему и заднему углу проходимости (углы въезда и съезда);
• радиусу поворотов горизонтальной проходимости;
• габаритным размерам автомобиля;
• высоте центра тяжести автомобиля.

Силы сопротивления воздуха

Во время движения автомобиля существует несколько сил сопротивления воздуха, которые оказывают влияние на колесо автомобиля:

Сопротивление фронтального воздушного потока. Оно возникает из-за давления воздуха, которое действует на переднюю часть автомобиля. Чем выше скорость движения, тем больше это сопротивление

Важно отметить, что форма автомобиля, его геометрия и аэродинамические свойства могут снизить или увеличить это сопротивление.
Сопротивление при движении воздуха вокруг боковых поверхностей автомобиля. При боковом ветре или обдуве этими поверхностями возникает сила, направленная перпендикулярно движению автомобиля

Она может создавать боковое смещение и затруднять управление автомобилем.
Сопротивление вызванное заполнением местоположения автомобиля воздухом. Когда автомобиль движется, он выталкивает воздух из-под себя, создавая зону низкого давления. В результате этого образуется поддавливающая сила, которая может вызывать потерю сцепления колес с дорогой и приводить к подъему или «взмаху» автомобиля.
Сопротивление обтеканию автомобиля воздушными потоками вокруг задней части. Оно может создавать дополнительное сопротивление, вызывая задний «засос» и ухудшая стабильность при высоких скоростях. Для уменьшения этого сопротивления могут быть использованы аэродинамические девайсы, такие как спойлеры и диффузоры.

Учет сил сопротивления воздуха является важным фактором при проектировании и улучшении автомобилей для достижения наилучшей аэродинамики и снижения энергозатрат во время движения.

Гравитационная сила

Гравитационная сила направлена вниз и приводит к нагрузке на колесо, то есть давлению, которое оно испытывает на дорогу. Величина гравитационной силы зависит от массы автомобиля и ускорения свободного падения на поверхности Земли.

Гравитационная сила важна при движении автомобиля, так как она обеспечивает его устойчивость и сцепление с дорогой. Благодаря гравитации колесо остается на дороге и не соскальзывает или не отрывается от нее. Также гравитационная сила влияет на распределение веса автомобиля между колесами и позволяет поддерживать баланс и равновесие во время движения.

Оценивайте ситуацию и действуйте на опережение

Мы заговорили о планировании своих действий заранее. Это одно из основных умений профессионала – это то, что отличает грамотного водителя от неграмотного. Многие начинающие водители думают, что мастерство профессионала заключается в умении мгновенно выполнять какие-то действия. Это не так.

Неопытный водитель, как правило, смотрит «себе под капот» и все время решает текущие задачи, буквально натыкаясь на них каждый раз. Опытный водитель смотрит далеко вперед и поэтому он может позволить себе действовать спокойно, т.к. он все видит заранее и может спокойно подготовиться.

Именно отсутствие необходимости в резких, экстренных действиях – главный гарант надежного, безопасного и быстрого движения. Поступайте предусмотрительно и мудро за рулем, результат будет превосходным – удовольствие без последствий!