Эксплуатационные характеристики шин: сцепление шины с дорогой

Сцепление шины с дорогой является одним из решающих факторов безопасности дорожного движения. Движение автомобиля возможно благодаря способности шины к сцеплению с дорожным покрытием. Это позволяет шине воспринимать и передавать касательные силы, возникающие в контакте с дорогой под воздействием тяговых и тормозных усилий.

В общем случае в плоскости качения к колесу должны быть приложены нормальная нагрузка P_z, продольная сила Р_х и/или крутящий момент М_y, обеспечивающие поддержание прямолинейного движения с линейной скоростью V и вызывающие реакции дороги R_z и R_x (рис. 7.18). Очевидно, что даже для свободного качения к колесу должна быть приложена продольная сила и/или крутящий момент, компенсирующие потери энергии при внутреннем и внешнем трении, равные силе сопротивления качению (см. параграф 7.1). Равнодействующая касательная реакция опорной поверхности на ведущее колесо Rx направлена в сторону движения и является той внешней силой, которая сообщает поступательное движение автомобилю. Тормозящую силу касательной реакции опорной поверхности создает тормозной крутящий момент, противоположный направлению вращения колеса.





Как видно из рис. 7.18, режимы качения отличаются направлениями приложения крутящих моментов и продольных сил, однако во всех случаях касательные реакции опорной поверхности R_x направлены в сторону, противоположную направлению продольных сил Р_х приложенных к колесу. Если продольная сила Р_х сравнивается с максимально возможной в данных условиях опорной реакцией R_x max (силой трения F), то колесо теряет сцепление с дорогой.

Продольная сила Р_х во всех случаях должна быть меньше максимально возможной в этих условиях касательной опорной реакции дорожного покрытия R_x max, называемой силой трения F. Таким образом, условие устойчивого поступательного движения автомобиля определяется выражением:

P_x ＜ R_xmax, или Р_х ＜ F

Кроме перечисленных силовых факторов, действующих в плоскости качения колеса, к автомобильной шине всегда приложены боковые силы и моменты. Они возникают при маневрировании (рис. 7.19), а также из-за поперечных уклонов дорожного покрытия, установки колес с углами схода и развала, вследствие собственной неоднородности шины, под действием бокового ветра и др.





Под действием боковых сил и моментов направление движения отклоняется от неизменной плоскости качения колеса, определяемой ободом, на угол δ, называемый углом бокового увода. При этом шина деформируется до определенного предела, а затем начинает частично проскальзывать в зоне контакта. Тангенс угла увода, характеризуя зависимость между боковой силой и скольжением, называется коэффициентом бокового скольжения. Этот показатель может служить критерием влияния шины на устойчивость и управляемость автомобиля. На рис. 7.20 показано, как меняется соотношение между зонами сцепления и проскальзывания в контакте шины с дорогой в зависимости от величины угла бокового увода. Увеличение угла бокового увода увеличивает зону скольжения и может привести к потере сцепления колеса с дорогой.



Современные низкопрофильные шины с увеличенной жесткостью боковых стенок и пятном контакта отличаются повышенным сцеплением с дорогой, существенно улучшают устойчивость и управляемость автомобиля (см. параграф 6.3, рис. 6.14).



При резких маневрах боковые реакции в контакте шины с дорогой значительно возрастают, особенно при больших скоростях и ускорениях. При этом суммарное значение продольных и боковых сил в контакте может стать выше силы сцепления шины с дорогой, колесо потеряет связь с дорогой, даже если каждая из слагаемых меньше силы сцепления шины с дорогой.

В главе 2 (см. рис. 2.1) наглядно показано сложение продольной и боковой сил в виде силовой диаграммы, называемой «круги Камма».

Силу сцепления шины с дорогой принято оценивать коэффициентом μ, равным отношению максимально возможной касательной реакции в зоне контакта Rmax (или силой трения) к нормальной реакции R_z или нагрузке P_z, действующей на колесо:

μ = Rmax/R_z = F/P_z

Сцепные свойства шины определяются коэффициентами продольного и бокового сцепления. В первом случае максимальная реакция вызывается тяговым или тормозным усилием, развиваемым буксующим ведущим или скользящим тормозным колесом. Во втором случае максимальная реакция вызывается боковой силой, возникающей в контакте с дорогой скользящего в боковом направлении колеса.

Между приведенной выше и «классической» формулой трения имеется определенная аналогия. Однако в классической формуле коэффициент трения — относительно постоянное физическое свойство пары материалов, находящихся в контакте, например резина — асфальт или резина — сухой лед. А коэффициент сцепления шины с дорогой может колебаться в широких пределах от 0,05 до 1 в зависимости от типа и состояния дорожного покрытия, материала и конструкции шины, а также от динамических условий качения колеса и других факторов, определяющих соотношение действующих в контакте сил. Требования по безопасности движения обеспечиваются при значении μ не ниже 0,4-0,6.



Факторы, оказывающие влияние на величину и характер сцепления, или, иными словами, на условия контакта шины с дорогой, с некоторой долей условности можно разделить на внешние (по отношению к шине) и внутренние, определяемые свойствами конструкции шины.

Внешние факторы — это погодные условия, естественные и технологические уклоны дорожного покрытия, крутизна поворотов дороги, скорость их прохождения, неисправности подвески автомобилей, состояние дисков и тормозов, степень нагруженности транспортного средства, равномерность и симметричность распределения нагрузки и многие другие.

Среди внешних факторов определяющее значение имеет состояние дорожного покрытия. Сцепление значительно снижается на мокрой и обледеневшей дороге, коэффициент сцепления с мокрым покрытием в полтора раза меньше, чем с сухим, а с обледенелым — на порядок ниже. При этом значительно удлиняется тормозной путь автомобиля. В таблице 7.2 показан пример изменения тормозного пути автомобиля в зависимости от состояния дорожного покрытия, тормозной путь легкового автомобиля с начальной скоростью 80 км/ч увеличился с 28 м — на сухой дороге до 252 м — на обледенелой. А на влажном льду эти показатели вдвое хуже. К этому можно добавить, что слой грязи и пыли на сухой дороге может действовать как смазка, ухудшающая сцепление.

Таблица 7.2

Состояние покрытия	Коэффициент сцепления, μ	Тормозной путь, м
Сухо	0,90	28
Мокро	0,60	42
Снег	0,30	84
Сухой лед	0,10	252
Влажный лед	0.05	504

Для шин, эксплуатируемых в зимнее время года, сцепление улучшают за счет правильного выбора конструкции шины, рисунка протектора (в том числе с шипами) и рецептуры (см. параграф 4.7).



При качении колеса эластичная шина деформируется, стремясь в зоне контакта принять форму более твердой дорожной поверхности. При этом происходят деформации материалов шины, которые в площади контакта сопровождаются местными проскальзываниями элементов рисунка протектора относительно дороги. Проскальзывание измеряется разностью между скоростью автомобиля и линейной скоростью вращения колеса. Степень проскальзывания заметно влияет на коэффициент сцепления шины с дорогой. На рис. 7.21 показано изменение коэффициента сцепления в зависимости от степени суммарного продольного и бокового проскальзывания шины и состояния дорожного покрытия. На графике нулевая точка соответствует перекатыванию протектора по дорожному покрытию (как гусеница); уровень проскальзывания 100% соответствует полной блокировке колес (юзу). Максимальное значение коэффициента сцепления при прочих равных условиях достигается при проскальзывании в диапазоне от 10 до 30% и зависит от состояния дорожного покрытия. Современные электронные системы ABS и ESB призваны автоматически регулировать режим торможения при оптимальном проскальзывании, обеспечивающий в реальных дорожных условиях использование максимально возможной силы сцепления. При этом ограничиваются непродуктивные более высокие степени проскальзывания и, соответственно, снижается износ рисунка протектора. Однако на гладкой обледенелой поверхности эти системы практически бесполезны.





На влажной и мокрой поверхности коэффициент сцепления существенно снижается с ростом скорости (рис. 7.22). Сцепление шины с сухой дорогой сравнительно мало зависит от скорости и определяется в первую очередь типом дорожного покрытия и свойствами резины протектора. Сцепление тем выше, чем больше площадь контакта шины с дорогой. Этим объясняется некоторое увеличение коэффициента сцепления на сухой дороге у шины с изношенным рисунком протектора по сравнению с новой (верхний график): в основании рисунка площадь его выступов несколько больше.



На мокрых дорогах сцепление определяется гидродинамическими свойствами пленки воды между шиной и дорогой (рис. 7.22, средний и нижний графики) и способностью рисунка протектора выдавливать и удалять жидкость из зоны контакта узкими прорезями, «впитывающими» влагу, и открытыми канавками, служащими для отвода воды из зоны контакта (см. параграф 4.7). При малой скорости движения и тонкой водяной пленке на поверхности мокрой дороги вода почти полностью выдавливается и отводится из плоскости контакта выступов рисунка протектора с полотном дороги (рис. 7.23, а), коэффициент сцепления не намного меньше, чем на сухой дороге (рис. 7.22, начало среднего графика).





С увеличением толщины слоя воды и скорости движения резко растет объем воды, подлежащей вытеснению, удаление ее из зоны контакта затрудняется (рис. 7.23, б). Фирма Michelin назвала количество воды, необходимое для вытеснения при скорости 80 км/ч, — это приблизительно 25 л/с. Не всякая шина способна поглотить такое количество воды! Отвод воды из зоны контакта протектора с дорожным покрытием особенно затруднен у низкопрофильных и широкопрофильных шин, отличающихся относительно широкой беговой дорожкой протектора.

С увеличением водяного слоя и скорости падает коэффициент сцепления. При этом в отличие от сухой дороги с ростом скорости это падение тем больше, чем больше износ рисунка протектора, так как сокращается объем углублений рисунка и, соответственно, их способность поглощать и отводить влагу. В примере, приведенном на нижнем графике рис. 7.22, при толщине слоя воды 6 мм и остаточной глубине рисунка протектора 1,5 мм (немногим меньше допустимого предела 1,6 мм) при скорости около 80 км/ч коэффициент сцепления снижается до 0 и возникает аквапланирование.