Автомобильное колесо представляет собой шину, надетую на металлический (или иной, равноценный по прочности) обод, при этом внутреннее герметизированное пространство шины заполнено воздухом под определенным давлением. Маркировка автомобильных шин зависит от их типа. В современных автомобилях применяются шины трех основных типов:
— тороидные (H=B);
— низкопрофильные (Н<B);
— широкопрофильные (шины автомобилей высокой проходимости).
Тороидные шинымаркируются двумя цифрамиВ – dв дюймах или миллиметрах (inилиmm). Пример:6,15 – 13(обозначение дюймов не приводится, отличить метрические размеры от дюймовых можно только по порядку цифр). Первая цифра обозначает — ширину профиля шиныВ, вторая — диаметр ободаd(рис.1). Эти размеры могут приводиться в дюймах, миллиметрах или смешанно — первый размер в миллиметрах, второй в дюймах. (Пример: 6,45 — 13. Здесь оба размера приведены в дюймах, ширина шиныВсоставляет 6,45 дюйма, диаметр ободаd= 13 дюймов. Эта же шина может маркироваться размером 165 — 13. В этом случае размер ширины профиля шины приведен вмм, а диаметр обода — в дюймах. Может встретиться вариант маркировки 165 — 330. В этом случае все размеры приведены вмм.
Рис.1. Основные геометрические параметры автомобильного колеса.
+Низкопрофильные шины маркируются тремя цифрами, из которых первая обозначает ширину профиля шины, вторая — процентное отношение высоты профиля шины к ее ширине (серия шины), а третья — диаметр обода. Первый и третий размер также могут приводиться в дюймах, миллиметрах или смешанно — первый размер в дюймах, второй в миллиметрах. (Пример: 6,75/80-14 или для той же шины 170/80-14, или 170/80-355). В обозначении радиальных шин присутствует буква R перед посадочным диаметром.
Широкопрофильные шиныприменяются на грузовых автомобилях высокой проходимости. Маркируются они тремя цифрами (D×B–d), из которых первая обозначает наружный диаметр шины, вторая — ширину профиля шины, а третья — диаметр обода. У широкопрофильных шин все размеры приводятся только в миллиметрах. Пример: 1500×550 – 630.
Для специальных машин, работающих в особо тяжелых условиях, иногда применяют арочные шины, которые маркируются так же, как широкопрофильные шины.
Международные правила обозначения шин (Правила 30 еэк оон)
Согласно данному Правилу в маркировку автомобильных шин вводятся дополнительные индексы скорости и их несущей способности. Некоторые индексы скорости и несущей способности автомобильных шин представлены в приведенной ниже таблице.
Некоторые индексы скорости и несущей способности автомобильных шин:
| Индекс скорости | L | M | N | P | Q | R | S | T | U | H |
| Максимальная допустимаяскорость,км/ч | 120 | 130 | 140 | 150 | 160 | 170 | 180 | 190 | 200 | 210 |
| Индекс грузоподъемности | 82 | 87 | 88 | 89 | 90 | 102 | 104 | 106 | 108 | 110 |
| Нагрузка на колесо Gк, Н | 4750 | 5450 | 5600 | 5800 | 6000 | 8500 | 9000 | 9500 | 10000 | 10600 |
Примечание: Нагрузка на колесо Gк – это полный вес автомобиля, приходящийся на одно колесо.
Примеры обозначения шин согласно Правилу 30 ЕЭК ООН:
— 175/80R16Q88 – шины для «Нивы»;
— 175/80R16СN106 – шины для «Газели».
Свободный радиус колеса
Свободный радиусr0 – это радиус колеса, находящегося в свободном (не нагруженном) состоянии. Например, для низкопрофильной шины типа 205/70-14 78S(обозначение шины приведено согласно Правила 30 ЕЭК ООН) этот радиус отыщется как:
r0= 0,5 d+ Н= 0,5 d+В(Н/В)10-2; (100×Н/В) – серия шины; 1 дюйм равен 25,4мм, то есть:
r0= (0,5×14×25,4 + 205×0,7)×10–3= (177,8 + 143,5)×10–3= 0,321м.
Статический радиус колеса
Одним из определяющих факторов при проведении расчетов эксплуатационных свойств автомобиля является величина от центра колеса до опорной поверхности неподвижного колеса, нагруженного нормальной нагрузкой (вес неподвижного автомобиля). Строго говоря, учитывая, что шина эластична и при приложении нагрузки деформируется, эта величина представляет собой расстояние от центра колеса до хорды, однако в теории автомобиля эту величину принято называть статическим радиусом (rст). В технических данных часто величина статического радиуса не приводится, а вместо нее указывается маркировка шины. Очевидно, что если обозначить диаметр обода — d, ширину профиля шины — B, процентное отношение высоты профиля шины к ее ширине (серия шины) — П, наружный диаметр шины — D, то статический радиус определится как:
— для тороидных шин:
; 
;
— для низкопрофильных шин:
;
— для широкопрофильных шин
.
Здесь: 
— коэффициент радиальной деформации шины. Для шин легковых автомобилей с внутренним давлением в диапазоне 0,15 — 0,25МПа в первом приближении можно принять 
— коэффициент радиальной деформации шины. Для шин легковых автомобилей с внутренним давлением в диапазоне 0,15 — 0,25МПа в первом приближении можно принять = 0,15, для шин грузовых автомобилей с внутренним давлением 0,5МПа
= 0,1.
Свойства пневматической шины
Пневматическую шину широко применяют благодаря её амортизирующим свойствам. Они значительно смягчают толчки от неровностей дороги.
От физико-механических свойств шины зависят такие эксплуатационные показатели автомобиля, как грузоподъемность, экономичность, управляемость, проходимость и др. В конечном итоге все эти показатели определяются значением и видом деформации шины под действием внешних сил.
Различают четыре вида деформаций пневматической шины: радиальную (нормальную), окружную (тангенциальную), поперечную (боковую) и угловую.
Радиальная деформация шиныизмеряется её нормальным прогибомhн, равным разности свободного(r0 ) и статического (rст) радиусов колеса:
hн=r0–rст.
Под действием статической вертикальной нагрузки (веса неподвижного автомобиля) в результате деформации эластичной конструкции шины уменьшается расстояние от оси колеса до опорной поверхности.
Нормальный прогиб– одна из важнейших характеристик шины, определяющих её нагрузочную способность и плавность хода. С увеличением прогиба повышаются напряжения в элементах конструкции шины, снижается усталостная прочность и срок её службы. Наибольшее допустимое значение нормальной нагрузки, при котором, несмотря на радиальную деформацию, обеспечивается заданный срок службы шины при заданном давлении воздуха в ней, принято называть грузоподъемностью шины. Величина нормальной нагрузки регламентирована ГОСТом или Правилами 30 ЕЭК ООН (для АТС иностранного производства).
Тип и параметры ведущих колес для автомобилей выбираются (таблица 1) в соответствии с нормальной нагрузкой на них. Стандартом предусмотрено несколько допустимых нагрузок на шину в зависимости от давления воздуха в ней. При выборе шины для рассчитываемой машины необходимо руководствоваться следующим правилом. Полученная расчетом нормальная нагрузка на шину не должна превышать максимально допустимую по стандарту при наименьшем давлении воздуха в ней из числа значений предусмотренных стандартом.
При определении нагрузки на ведущее колесо следует предусмотреть максимально возможную загруженность в эксплуатации машины с учетом её технологического назначения.
При равномерном статическом распределении веса автомобиля по осям максимальную нагрузку на одно колесо следует определять, исходя из возможного её перераспределения в эксплуатации. В этом случае учитывается нагрузка на ведущее колесо от силы тяжести автомобиля и перевозимого груза, а также от вертикальной составляющей тягового усилия на сцепке прицепа.
Параметры выбранной шины сверяют с типом и параметрами ведущих колес у машины-прототипа. При сопоставлении параметров выбранного колеса и колеса прототипа следует иметь в виду, что заводы-изготовители грузовых автомобилей иногда применяют увеличенный размер шин (если позволяют предъявляемые к автомобилю требования). «Переразмеренные» шины более долговечны, оказывают меньшее давление на почву и придают машине более высокие тяговые свойства. Применение подобных шин наиболее целесообразно на грузовых автомобилях, эксплуатирующихся на грунтовых дорогах или дорогах с плохим покрытием.
Таблица 1.
Параметры автомобильных шин (ГОСТ 7463-89)
| №п/п | Автомобиль | Колесная формула | Обозначение шины | Давление в шинах, МПа: пер./задн. |
| 1 | ВАЗ-1111 | 2 × 4 | 135 / 80R12 | 0,15 / 0,18 |
| 2 | ВАЗ-2106 | 4 × 2 | 175 / 70R13 | 0,16 / 0,19 |
| 3 | ВАЗ-2108 | 4 × 2 | 175 / 70R13 | 0,2 / 0,2 |
| 4 | М — 2140 | 4 × 2 | 6,40 — 13 | 0,17 / 0,2 |
| 5 | ГАЗ-3102 | 4 × 2 | 205 / R14 | 0,2 / 0,2 |
| 6 | ВАЗ-2121 | 4 × 4 | 6,95 — 16 | 0,18 / 0,1 |
| 7 | УАЗ-31512 | 4 × 4 | 185 / 80R15 | 0,17 / 0,19 |
| 8 | УАЗ-3303 | 4 × 4 | 8,40 — 15 | 0,32 / 0,37 |
| 9 | ГАЗ-3307 | 4 × 2.2 | 240 R 508 | 0,45 / 0,63 |
| 10. | ЗИЛ-43151 | 4 × 2.2 | 260 R 508 | 0,4 / 0,63 |
| 11 | ЗИЛ-43310 | 4 × 2.2 | 260 R 508 | 0,6 / 0,65 |
| 12 | МАЗ-5337 | 4 × 2.2 | 300 R 508 | 0,75 / 0,67 |
| 13 | КамАЗ-5320 | 6 × 4.2 | 260 R 508 | 0,73 / 0,43 |
| 14 | ЗИЛ-131 | 6 × 6.1 | 320 R 508 | 0,3 / 0,3 |
| 15 | Урал-4320 | 6 × 6.1 | 370 — 508 | 0,32 / 0,32 |
Нормальный прогиб шины hнобусловлен её деформацией не только в радиальном, но и в окружном и в поперечном направлениях. При этом 40% полной нагрузки сжатия шины затрачивается на деформацию её материала и 60% — на сжатие воздуха.
+Различают шины низкого, среднего и высокого давления. Шины низкого давления имеют увеличенный объем воздуха, меньшее число слоев корда. Они мягче воспринимают толчки от неровностей дороги и обладают лучшими амортизирующими свойствами, но при меньшей грузоподъемности. Для шин низкого и среднего давления допустимая нормальная деформация шины составляет 15…20% её высоты, а для шин высокого давления – 10…12%.
Виды деформирования шины
Деформация шины при статическом нагружении автомобильного колеса. Из-за податливости шины при приложении к колесу через подшипник нормальной нагрузки (веса неподвижного автомобиля) имеет место радиальная деформация шины, при этом в процессе деформации шины преодолевается упругое сопротивление оболочки шины и воздуха в ней и сопротивление сил внутреннего трения в конструкции шины. На рис. 2 показана зависимость деформации шины от приложенной нагрузки. Верхняя кривая иллюстрирует зависимость усилияGk(вес автомобиля, приходящийся на одно колесо) от вызванного этим усилием деформацииλ. Заметим, что в случае увеличения нагрузки силы упругого сопротивления воздуха и оболочки шины совпадают по направлению и их сумма противодействует внешней нагрузкеGk.
При снятии нагрузки шина восстанавливает первоначальный размер под действием упругих сил воздуха и оболочки шины, а силы внутреннего трения действуют в этом случае против сил упругости.
Кривая зависимости нормального усилия, приложенного к ступице колеса от вызванной этим усилием деформации, при разгружении шины иллюстрируется на рис.2 нижней кривой. Площадь под верхней кривой характеризует работу сил упругости и сил внутреннего трения при нагружении шины, площадь под нижней кривой — работу сил упругости при разгружении. Площадь между кривыми характеризует работу сил внутреннего трения в шине. Вывод, который можно сделать из этого исследования, в первую очередь заключается в том, что при нагружении шины требуется приложить к ее ступице большее усилие, чем прикладывается к этой же шине при разгружении.
Рис.2. Деформация шины при нагружении – разгружении.
При нагружении колеса преодолевается сила упругости и сила внутреннего трения в материале шины. При разгружении сила упругости восстанавливает форму шины, а сила внутреннего трения в материале шины вновь сопротивляется (петля гистерезиса). Таким образом, в процессе нагружения – разгружения шины часть энергии затрачивается на внутреннее трение в шине – шина нагревается.
Окружная деформация шинывозникает под действием крутящего момента на колесеМк, который вызывает деформирование боковин и протектора шины. Вследствие этого обод колеса поворачивается на некоторый уголφТотносительно части протектора, находящейся в контакте с поверхностью качения. Соотношение между крутящим моментомМки угловой деформациейφТшины характеризует её жесткость в окружном направлении. Эта характеристика шины проявляется в динамике:
σφ= d Мк / dφТ.
Податливая шина снижает динамические нагрузки в трансмиссии при трогании с места и разгоне, а также при работе с переменной нагрузкой на сцепке прицепа. Но она подвержена большему износу в тормозном и ведущем режимах. Жесткость шины в окружном направлении повышается с уменьшением профиля шины (серии), с увеличением давления воздуха в ней и нормальной нагрузки.
Под действием касательной силы Ркшинадеформируется в продольном направлении. При этом каркас шины и её протектор смещаются в направлении качения колеса. Продольную деформацию оценивают смещениемс(мм) оси колеса относительно геометрического центра пятна контакта шины. Жесткость в продольном направлении у шины диагональной конструкции выше по сравнению радиальной с шиной примерно в 1,5 раза. Вследствие более высокой податливости и меньших гистерезисных потерь продольные колебания радиальной шины гасятся менее интенсивно, чем диагональной шиной.
Поперечная (боковая) деформацияшинывозникает под действием боковой силыYки существенно влияет на устойчивость и управляемость автомобиля. Боковая силаYквозникает при резком боковом воздействии на автомобиль ветра или при повороте автомобиля (центробежная сила). При боковой деформации диск колеса смещается относительно пятна контакта на некоторую величинуhz. При этом само пятно контакта разворачивается на некоторый уголδотносительно плоскости качения колеса вследствие деформации нижней части шины. Это явление получило названиебокового уводаколеса. Величина бокового увода оценивается по углуδбокового увода или по коэффициенту сопротивления боковому уводуky:
ky=d Yк / d δ.
Коэффициент kyхарактеризует свойство шины противостоять боковому уводу. Он зависит от высоты и ширины профиля шины, угла и слоев нитей корда (см. главу 1 раздела 3 «Конструкция и расчет автомобиля»), а также от давления воздуха и нагрузки на колесо.
Для каждого типа (серии) шины регламентированы максимальная боковая сила и соответствующий ей максимальный угол бокового увода без бокового проскальзывания элементов протектора. Максимальный угол бокового увода большинства шин равен 3…50. При дальнейшем увеличении боковой силы наступает боковое скольжение колеса. Опыт эксплуатации показывает, что боковой увод колеса влияет не только на управляемость автомобиля, но и на его топливную экономичность, а также на работу шины в целом.
Угол бокового увода шины обусловлен эффектом совместного действия момента, нагружающего колесо в плоскости, параллельной поверхности качения колеса, и боковой силы Yкпри условии, что в пятне контакта шина имеет сцепление с дорогой. В пределах упругой деформации шина разворачивается относительно пятна контакта на некоторый уголδ, и средняя линия её протектора принимает формуabcd(рис.4).
Деформация шины растет с увеличением приложенного к ней момента и боковой силы Yкдо потери сцепления с дорогой. Первыми начинают проскальзывать элементы протектора, периферийные по отношению к центру зоны контакта, то есть расположенные вблизи линии границы контакта. По мере увеличения момента проскальзывание шины распространяется от краев к центру пятна контакта. При достижении некоторой критической величины момента все элементы протектора начинают проскальзывать с разной интенсивностью.
Рис.4. Угловая деформация шины при резком боковом воздействии на автомобиль.
+Угловая жесткость (податливость) оказывает влияние на показатель управляемости автомобилем. Вследствие допустимой (умеренной) угловой деформации шины облегчается поворот колеса во время движения и снижается проскальзывание элементов протектора в пятне его контакта с дорогой. Излишняя податливость шины приводит к запаздыванию поворота колеса относительно управляющего воздействия со стороны водителя. Причем оно тем больше, чем резче проявляется управляющее воздействие.
Динамический и кинематический радиусы колеса
При качении эластичного (деформированного) колеса под действием силовых факторов происходит тангенциальная деформация шины, при которой действительное расстояние от оси вращения колеса до опорной поверхности уменьшается. Это расстояние называют динамическим радиусомrд колеса. Его величина зависит от ряда конструктивных и эксплуатационных факторов, таких, например, как жесткость шины и внутреннее давление в ней, вес автомобиля, приходящейся на колесо, скорость движения, ускорение, сопротивление качению и др.
Динамический радиус уменьшается с увеличением крутящего момента и с уменьшением давления воздуха в шине. Величина rднесколько возрастает с увеличением скорости движения автомобиля вследствие роста центробежных сил. Динамический радиус колеса является плечом приложения толкающей силы. Поэтому его называют ещесиловым радиусом.
Качение эластичного колеса по твердой опорной поверхности (например, по асфальтовому или бетонному шоссе) сопровождается некоторым проскальзыванием элементов протектора колеса в зоне его контакта с дорогой. Это объясняется разностью длин участков колеса и дороги, вступающих в контакт. Это явление называют упругим проскальзыванием шины, в отличие отскольжения(буксования), когда все элементы протектора смещаются относительно опорной поверхности. Упругого проскальзывания не было бы при условии абсолютного равенства этих участков. Но это возможно лишь в том случае, когда колесо и дорога имеют контакт по дуге. В действительности же, опорный контур деформированного колеса вступает в контакт с плоской поверхностью недеформированной дороги, и проскальзывание становится неизбежным.
Для учета этого явления в расчетах используют понятие кинематического радиусаколеса (радиуса качения)rк. Таким образом, расчетный радиус каченияrк представляет собой такой радиус фиктивногонедеформированногоколеса, которое при отсутствии проскальзывания имеет с реальным (деформированным) колесом одинаковые линейные (поступательные) скорости каченияvи углового вращенияωк. То есть величинаrкхарактеризуетусловныйрадиус, который служит для выражения расчетной кинематической зависимости между скоростью движенияvавтомобиля и угловой скоростью вращения колесаωк:
.
Особенностью радиуса качения колеса является то, что он не может быть измерен непосредственно, а определен только теоретически. Если переписать приведенную выше формулу как:
, (τ— время)
то из полученного выражения видно, что определить величину rкможно расчетом. Для этого необходимо замерить путьS, проходимый колесом заnоборотов, и разделить его на угол поворота колеса (φк= 2πn).
+Величина упругого проскальзывания растет при одновременном увеличении эластичности (податливости) шины и жесткости дороги или, наоборот, при увеличении жесткости шины и мягкости дороги. На мягкой грунтовой дороге повышенное давление в шине увеличивает потери на деформацию грунта. Снижение внутреннего давления в шине позволяет на мягких грунтах уменьшить перемещение частиц почвы и деформации ее слоев, что обуславливает снижение сопротивления качению и повышению проходимости.
Однако, на твердой опорной поверхности при малом давлении происходит чрезмерный прогиб шин с увеличением плеча трения качения а. Компромиссным решение данной проблемы является использование шин с регулируемым внутренним давлением.
В практических расчетах радиус качения колеса оценивается по приближенной формуле:
rк= (0,85…0,9)r0(здесьr0— свободный радиус колеса).
Для дорог с твердым покрытием (движение колеса с минимальным проскальзыванием) принимают: rк=rd.
Динамика ведомого колеса
При качении жесткого колеса по недеформируемой поверхности (идеальный случай) на колесо действует весовая нагрузка автомобиля Gк, толкающая силаР, реакция дорогиN, нормальная к поверхности контакта и уравновешивающая нагрузкуGк, а также сила трения между колесом и дорогойμN. Кроме того, в подшипнике колеса возникает момент тренияМr(рис. 5-а). В этом случае сила трения относительно оси колеса равна толкающей силе, а момент силы трения относительно оси колеса равен моменту трения в его подшипнике.
Рис.5. Силы и моменты, действующие на ведомое колесо.
Движение колеса при наличии деформации в зоне контакта.В действительности шина и опорная поверхность деформируются. При этом точка приложения результирующей реакции контакта смещается в направлении движения на величинуа. Эта величина характеризует коэффициент трения качения. На рис.2-бпоказано движение колеса при наличии деформации в зоне контакта. Результирующая силаZреакций, нормальных к поверхности дороги, смещается вперед на величинуа (плечо трения качения). Смещение нормальной реакцииZотносительно оси колеса создаетмомент сопротивления качению(Mr), который направлен против вращения и препятствует перекатыванию колеса по опорной поверхности:
Mr=Z· а.
Для преодоления момента сопротивления качения колеса к его оси необходимо приложить продольное толкающее усилие Р=Mr/ rк, численно равноесиле сопротивления качениюХ:
,
Понятие силы сопротивления качению, вызванной смещением нормальной реакции Zотносительно оси колеса, используют в теории автомобиля для количественной оценки силы, затрачиваемой на преодоление передвижения колеса (или автомобиля в целом).
Отношение толкающей силы Р=Хк нормальной нагрузкеZна колесе характеризует сопротивление качению и называетсякоэффициентом сопротивления качению:
Х / Z = f = а / rк.
Из приведенного выражения видно, что с увеличением радиуса качения колеса rк коэффициент сопротивления качению уменьшается.
Установлено также, что коэффициент сопротивления качению зависит от типа и состояния дороги (таблица 1.1) и скорости движения автомобиля.
При малой скорости автомобиля (до 10-20 км/ч) коэффициент сопротивления качению f = f0. При движении автомобиля с большей скоростью он возрастает вследствие энергетических потерь в шине. Для определения коэффициента сопротивления качению в зависимости от скорости пользуются эмпирической формулой:
f = f0 · (1 + 6, 5 · 10-4 · V2)
где f0 — коэффициент сопротивления качению в начале движении автомобиля с малой скоростью; V – эксплуатационная скорость автомобиля, м/с.
Таблица 1.1
Коэффициент сопротивления качению:
| Тип и состояние дорог | f0 |
| Асфальтобетонное или цементобетонное шоссе:• в отличном состоянии• в удовлетворительном состоянии | 0,012-0,018 0,018-0,020 |
| Булыжная мостовая | 0,023-0,030 |
| Дорога с гравийным покрытием | 0,020-0,025 |
| Грунтовая дорога:• сухая• укатанная• после дождя | 0,025-0,035 0,050-0,15 |
| Песок | 0,10-0,30 |
| Укатанный снег | 0,03-0,05 |
+Движение колеса по мягкой дороге. При качении колеса по мягкому грунту (песок, гравий, снежный покров и т.д.) под влиянием нагрузки (веса автомобиля) и толкающей силы возникают деформации смятия и сдвига почвы с образованием колеи. При этом существенно возрастает величина коэффициента сопротивления качению (табл. 1.1).
Динамика ведущего колеса
В отличие от ведомого колеса, вращение ведущего колеса крутящим моментом Мк, изменяет направление сил трения и реакций дороги.
Рис.6 иллюстрирует схему качения ведущего колеса с пневматической шиной по твердой (например, асфальтовой) дороге.
Для случая равномерного движения эластичного ведущего колеса по твердой недеформируемой дороге уравнение моментов имеет вид:
Мк=Хк·rd + Zк·а ,
Следовательно:
,
здесь Мf2 =Zк·а– момент сопротивления качению ведущего колеса.
Рис.6. Силы и моменты, действующие на ведущее колесо.
При торможении автомобиляна колесо действует тормозной моментМТ, направленный против вращения колеса, момент от сил инерции поступательно и вращательно движущихся масс и момент от тангенциальной реакция дорогиХк, которая в этом случае определится как (рис.7):
.
Рис.7. Силы и моменты, действующие на колесо при торможении автомобиля.
Коэффициент полезного действия ведущего колеса
Физически коэффициент полезного действия ведущего колеса представляет собой отношение работы, производимой этим колесом, к энергии, подводимой к колесу.
КПД ведущего колеса ηк можно определить с учетом величины сопротивления качению и величины буксования, если таковое присутствует.
В первом случае коэффициент полезного действия, учитывающий сопротивление качению f, определяется относительной долей потерянного момента, подведенного к колесу:
.
Во втором случае коэффициент полезного действияηδучитывает эффект буксования ведущего колеса
ηδ= (100 —δ) : 100,
где δ– буксование, взятое в процентах.
Таким образом, мощность, полезно используемая ведущими колесами автомобиля, равна:
Nк исп. = Nк ηк,
где: ηк=ηf ηδ;
Nк— мощность подведенная к ведущему колесу.
КПДведущего колеса зависит от соотношения между тяговым усилием и нагрузкой на колесо. Например, для ведущего колеса автотягача с шиной 11,00 – 36 при внутреннем давлении в ней 0,085МПаего коэффициент полезного действия достигает 80% при отношении тягового усилия к нагрузке на колесо, равном 0,4. С увеличением этого отношения до 0,7КПДведущего колеса снижается до 50%.
Тяговые свойства ведущего колеса по условию сцепления его с дорогой
Тангенциальная реакция дороги Хк, приложенная к колесу, направлена в сторону, противоположную движению. Ее величина ограничивается прочностью (сцеплением) между рабочей частью поверхности шины и дороги. Условие движения ведущего колеса без буксования:
Хк<Gк(φ + f),
где Gк— весовая нагрузка на колесо;
φ— коэффициент сцепления.
Если коэффициент сопротивления качению мал, то приближенно можно принять:
Хк<Gкφ,
то есть для того, чтобы не было пробуксовывания, тяговая сила на ведущих колесах не должна превосходить силы сцепления (Рφ=Gкφ). В том случае, когда соотношение между касательной силой тяги и силой сцепления удовлетворяет данному условию, тяговая сила ведущих колес будет полностью использоваться для движения автомобиля. В противном случае, будет иметь место пробуксовывание на дороге, и для движения автомобиля будет использоваться только часть тяговой силы, равная силе сцепленияGкφ.
Очевидно, что пробуксовывание приводит к снижению скорости автомобиля. Относительное снижение скорости из-за буксования определяется величиной:
,
где vt – теоретическая скорость движения автомобиля без буксования;
v– действительная скорость движения автомобиля.
Величину буксования можно определить и по отношению пути, потерянного на буксование за один оборот колеса, к теоретическому пути без буксования также за один оборот колеса:
,
где St–путь, проходимый колесом без буксования за один оборот;
S– действительный путь, проходимый за один оборот при тяговой эксплуатации.
Обычно сила Хкможет ограничиваться по силе сцепления при трогании с места или при преодолении повышенных сопротивлений на скользкой дороге. Ограничение тяговой силы по силе сцепления происходит чаще, когда автомобиль используется в качестве тягача для буксировки прицепа.
Для нахождения силы сцепления ведущих колес с дорогой необходимо знать нагрузку, воспринимаемую дорогой от каждого колеса автомобиля.
Распределение нагрузки на колесах двухосного автомобиля, стоящего неподвижно на горизонтальной площадке, определяется положением его центра массы:
— часть веса автомобиля, приходящегося на передние колеса;
— часть веса автомобиля, приходящегося на задние колеса;.
Здесь аиb– отрезки, определяющие положение центра масс (ЦМ) автомобиля в продольной плоскости;
L— база автомобиля (рис.8).
Очевидно, G1+ G2 = G. Практически величиныG1иG2определяются путем взвешивания отдельно передней и задней частей автомобиля. По экспериментально определенным значениямG1 и G2легко рассчитать (обратная задача) положение центра массы (отрезкиаиb), используя для этого приведенные выше формулы.
Распределение нагрузки на колесах двухосного автомобиля обуславливают понятие сцепного веса автомобиля Gφ. Сцепной вес автомобиля определяется по весу, приходящемуся на ведущие колеса, с учетом коэффициента перераспределения нагрузки по осям автомобиля.
Для автомобилей с приводом на передние колеса:
Gφ =G1 .
Рис.8. Распределение нагрузки на колеса двухосного автомобиля.
Для автомобилей с приводом на задние колеса:
Gφ =G2,
где G1, G2, — вес, приходящийся соответственно на переднюю и заднюю оси автомобиля.
Для полноприводных автомобилей:
Gφ = G.
При движении автомобиля возникают дополнительные силы и моменты, которые перераспределяют нагрузки на колеса. Например, сила сопротивления воздуха и подъему, бокового ветра, сила инерции при ускоренном или замедленном движении автомобиля и др.
Коэффициент сцепления ведущего колеса с дорогой.
В общем случае коэффициент сцепления ведущих колес с дорогой φпредставляет собой отношение силы сцепления к сцепному весу автомобиля:
.
В физическом понимании коэффициент сцепления колеса с дорогой φпредставляет собой отношение той силы, которая может вызвать относительное перемещение опорной поверхности шины колеса по дороге, к реакции дороги на колесо, направленное нормально к поверхности дороги. Это определение аналогично установленному в механике определению коэффициента трения первого рода между двумя твердыми телами. Поэтому часто считают, что коэффициент сцепления и коэффициент трения -–понятия равнозначащие. Это положение весьма близко к действительности для дорог с твердым покрытием. Здесь передача тангенциальных усилий от колеса к дороге обуславливается почти исключительно трением между опорной поверхностью шины и дорогой.
Взаимодействие колеса с дорогой, имеющей мягкое покрытие (песок, щебень и т.п.) происходит иначе. В этом случае под влиянием тангенциальных усилий между дорогой и шиной происходит частичное разрушение контактной поверхности (смятие, сдвиг и т.д.), что вызывает проскальзывание или буксование ведущего колеса. Коэффициент сцепления при этом отличается от определения коэффициента трения.
В общем случае коэффициент сцепления зависит от качества резины протектора, геометрических параметров шины, давления воздуха в ней, вертикальной нагрузки, шероховатости опорной поверхности, а также степени проскальзывания (пробуксовывания) колеса.
Коэффициент сцепления колеса на таких дорогах трудно определим расчетным путем и выясняется проведением экспериментальных исследований. Исследуемый автомобиль с полностью заторможенными колесами буксируется с помощью специального тягача при одновременном измерении усилия на сцепке с помощью динамометра. Отношение этого усилия к полному весу буксируемого автомобиля представляет собой коэффициент сцепления. Существуют и другие способы определения φ, например, торможением автомобиля на исследуемом участке дороге с одновременным измерением тормозных путей.
По результатам многочисленных испытаний устанавливают средние величины коэффициента сцепления для различных типов дорожного покрытия. Коэффициент сцепления φ для различных типов дорожного покрытия приведен в таблице 1.2.
Таблица 1.2.
| Тип дорожного покрытия | Величина коэффициента сцепления φ | |
| Сухая поверхность | Мокрая поверхность | |
| Асфальт | 0,7…0,8 | 0,3…0,4 |
| Грунтовая дорога | 0,5…0,6 | 0,3…0,4 |
| Глина | 0,5…0,6 | 0,3…0,4 |
| Песок | 0,5…0,6 | 0,4…0,5 |
| Обледенелая дорога | 0,2…0,3 | |
| Дорога, покрытая снегом | 0,2…0,4 |
Автомобиль с одинарными шинам обладает более высокой проходимостью по сравнению с автомобилем, оснащенным спаренными шинами. Объясняется это тем, что при наличии второй шины при движении по мягкой дороге (глина, песок, снег) дополнительно расходуется мощность на образование второй колеи. Кроме того, при переходе от спаренных колес к одинарным неизбежно должен быть увеличен диаметр шины (по соображениям сохранения заданного удельного давления в зоне контакта колеса с дорогой), что также благоприятно сказывается на повышении проходимости.
Большое влияние на тягово-сцепные качества автомобиля оказывают геометрические параметры грунтозацепов протектора шины. Грунтозацепы шины ведущего колеса, погружаясь в грунт, деформируют его не только в радиальном, но и в тангенциальном направлении, и постепенно уплотняют. По мере уплотнения грунта в тангенциальном направлении, его сопротивление сдвигу возрастает до некоторого предела, после чего начинается разрушение (сдвиг) грунта. Соответственно этому по мере деформации грунта, внешним проявлением чего служит частичная пробуксовка шины (ее поворачивание на угол, соответствующей величине уплотнения грунта), коэффициент сцепления возрастает до некоторого максимума, а затем падает до величины, характеризуемой внутренним трением между частицами грунта.
Эффект аквапланирования (гидропланирования) шины.
На мокрых дорогах, ввиду присутствия пленки влаги между шиной и поверхностью дороги, составляющая трения значительно снижается. Поэтому коэффициент сцепления во многом зависит от того, внедряются ли микровыступы дороги в тело протектора. Вступая в соприкосновение с опорной поверхностью, выступы протектора выдавливают влагу из зоны контакта. При этом в передней части пятна контакта (зона 1 на рис.9) они не успевают выдавить всю влагу. Поэтому в этой части пятна контакта шина отделена от поверхности дороги слоем влаги и не соприкасается с ее микровыступами, в результате чего здесь возникает гидродинамическое трение, для которого коэффициент трения близок к нулю.
Рис.9. Аквапланирование (гидропланирование) шины:
зоны трения: 1 – гидродинамическое трение; 2 – смешанное трение; 3 — граничное трение.
В зоне 2 ввиду большего времени выдавливания, слой влаги гораздо меньше, в результате чего возникает режим смешанного (полусухого) трения, при котором имеет место, как гидродинамическое трение, так и граничное (сухое) трение.
В зоне 3 вся вода оказывается выдавленной, поэтому в этой части пятна все выступы протектора находятся в граничном (сухом) трении с опорной поверхностью, т.е. непосредственно взаимодействуют с опорной поверхностью.
При увеличении скорости движения автомобиля размеры зоны 1 возрастают, а зоны 3 сокращаются. Если слой воды значителен, то при некоторой скорости движения автомобиля выступы протектора не успевают выдавить ее из пятна контакта. Другими словами, зона 1 разрастается до размеров всего пятна контакта. В этом случае возникает процесс аквапланирования (гидропланирования), при котором: шина теряет контакт с твердой поверхностью и скользит по воде. При этом коэффициент сцепления резко снижается.
+Поскольку отвод воды из пятна контакта зависит от глубины канавок протектора, то значение скорости, при которой возникает эффект гидропланирования, во многом зависит от степени износа протектора. Чтобы указанная скорость резко не снижалась, величина износа протектора по высоте ограничивается. Согласно правилам эксплуатации шин, у грузовых автомобилей остаточная глубина канавок протектора по центру беговой дорожки должна быть не менее 1мм, у автобусов – 2 мм, а у легковых автомобилей – 1,6 мм. У современных легковых автомобилей отдельные типы шин в протекторной зоне имеют специальные водоотводящие канавки.
Режимы качения колеса
В зависимости от соотношения силы реакции дороги Хк (на рис.10 и 11 эта сила обозначена Rx) и крутящего момента на колесе Мк различают 5 режимов качения колеса.
Рис.10. Классификация режимов качения колеса.
Наглядное представление о режимах качения дает график зависимости Rx = f(Мк), представленный на рис.11.
Как следует из рис. 11, при достаточно большом крутящем моменте Мк направление вектора продольной реакцииRx совпадает с направлением движения колеса. В этом случае Rx является силой, движущей автомобиль.
Рис.11. Зависимость продольной реакции дороги Rx от крутящего момента на колесе Мк:
режимы: 1 – ведущий; 2 – свободный; 3 – нейтральный; 4 – ведомый; 5 — тормозной.
Контрольные вопросы.
- Назовите основные виды деформации пневматической шины.
- Поясните, как та или иная деформация шины влияет на показатели работы автомобиля.
- Перечислите радиусы качения автомобильного колеса.
- Что такое сила сопротивления качению колеса и от чего она зависит?
- Что такое коэффициент сопротивления качению? От чего он зависит и что определяет?
- Какие силы и моменты действуют на колесо?
- Что такое коэффициент сцепления колеса с опорной поверхностью? От чего он зависит и что определяет?
- Что такое КПД ведущего колеса?
- Как зависит касательная сила тяги от нормальной нагрузки на ведущее колесо?
- Как влияют конструктивные параметры шины и эксплуатационные факторы на КПД и тяговые свойства ведущего колеса?
- Определить радиусы качения колеса по данной серии шины.
Глава 2.
Тяговый и мощностной балансы автомобиля
Составляющие тягового баланса автомобиля
Законы движения автомобиля могут быть аналитически установлены, если известны силы, действующие на автомобиль в процессе его движения. Эти силы подразделяются на две группы: силы движущиеисилы сопротивления.
Силами, движущими автомобиль, являются окружные (тангенциальные) силы, возникающих на шинах ведущих колес в точках соприкосновения их с дорогой в результате передачи вращающего момента Меот двигателя к колесам. Результирующую составляющую этих сил называюттяговой силой(касательной силой тяги) на ведущих колесах.
Сумма сил ΣРiвнешних сопротивлений, испытываемых автомобилем при движении, включает в себя силы отдельные виды сопротивлений. К ним относятся: сила сопротивления качениюРf, сила сопротивления подъемуРh, сила сопротивления воздухаРwи сила сопротивления ускорениюРj, которая обусловлена не только массой поступательно движущихся частей автомобиля, но и массами его вращающихся элементов конструкции (двигателя, трансмиссии и колес).
Касательная сила тяги
Между колесами и поверхностью, по которой движется автомобиль, под действием ведущегомоментаМк, подведенного к ведущим колесам, возникает тяговое усилие, так называемаякасательная сила тяги (Рк ). Её можно подсчитать при известной характеристике двигателя по формуле:
где rк— радиус приложения силыРк(радиус качения колеса).
uкп—передаточное число коробки передач;
u0—передаточное число главной передачи (ведущего моста);
ηТ—КПД, учитывающий потери энергии в трансмиссии.
Касательная сила тяги представляет собой реакцию со стороны почвы или поверхности дороги, действующую на ведущие колеса в направлении движения машины.
Учитывая, что крутящий момент двигателя с учетом его характеристики изменяется в зависимости от его мощностиNеи угловой скоростиωколенчатого вала, можно воспользоваться также следующей формулой:
Таким образом, величина касательной силы тяги на ведущих колесах изменяется прямо пропорционально мощности двигателя, передаточному числу коробки передач uкпи главной передачи (ведущего моста)u0и обратно пропорционально радиусу каченияrкведущего колеса и угловой скоростиω(частоте вращения) вала двигателя.
Величина реакции почвы, направленная в сторону движения машины, численно равна сумме сил сопротивления движению автомобиля. На твердой недеформируемой поверхности дороги реакция, вызываемая вращением ведущих колес, зависит от величины силы трения между колесами и дорогой. При движении по мягкой почве протектор шины вдавливается в грунт и, кроме сил трения, в почве возникают горизонтальные реакции благодаря сцеплению выступающего рисунка протектора с почвой.
Следовательно, максимально возможная величина касательной силы тяги ограничивается силой сцепленияведущих колесРφавтомобиля с почвой:
Рк ≤ Рφ .
Сцепные качества автомобиля характеризуются коэффициентом использования сцепления (коэффициентом сцепления)φ.
Для автомобилей с одним ведущим мостом коэффициент использования сцепления определяется по формуле:
,
где Gφ– вес автомобиля, приходящийся на ведущие колеса (сцепной вес),Н.
Для автомобилей, у которых все колеса – ведущие (Gφ=G), коэффициент сцепленияφравен:
,
где Рк– тяговое усилие на ведущих колесах автомобиля,Н;
G– вес (сила тяжести) автомобиля (G=mg),Н.
Если касательная сила тяги, реализуемая двигателем, превосходит величину возможной силы сцепления, то наступает буксование, полное или частичное проскальзывание ведущих колес. Движение автомобиля становится невозможным или происходит с большой потерей поступательной скорости. При работах автотягача на грунтовых дорогах с прицепом, как правило, имеет место буксование, вызванное возникновением сравнительно больших по величине горизонтальных реакций, которые вызывают некоторое смятие и сдвиг почвы, и соответствующую потерю скорости движения автомобиля.
Наибольшая касательная сила тяги, которая может быть реализована по условиям сцепления с почвой, не является постоянной величиной и зависит от условий эксплуатации автомобиля, физико-механических свойств грунта или дороги, а также от нагрузки, приходящейся на ведущие колеса.
Скорость поступательного движения машины (v, м/с) без буксования определяется угловой скоростью вращения ведущих колес (ωк, с -1), радиусом их качения (rк , м):
,м/с.
Так как скорости 1 м/ссоответствует скорость 3,6км/ч, аω=πn/30, то:
,км/ч.
Таким образом, каждой величине угловой скорости коленчатого вала двигателя ω(или его частоте вращенияn) соответствует на данной передаче определенная сила тяги на ведущих колесах автомобиля и определенная скорость (v).
Силы сопротивления движению автомобиля
Анализ сил сопротивления движению автомобиля позволяет установить, какая часть мощности, передаваемая от двигателя, может быть использована полезно и из каких составляющих состоит общее сопротивление движению.
Выше отмечалось, что на автомобиль в общем случае движения действуют следующие силы сопротивления:
- сопротивление качению ( Рf);
- сопротивление воздуха ( Рw);
- сопротивление подъему ( Рh);
- сопротивление разгону ( Рj);
- тяговое (крюковое) сопротивление прицепа ( Ркр ).
Сопротивления при качении и подъеме
Сила сопротивления качениюавтомобиля вызывается деформацией опорной поверхности дороги и шин. Ее определяют (рис.1) как произведение нормальной суммарной реакции опорной поверхности (Gа·cos α), действующей на колеса автомобиля с весомGа, на коэффициент сопротивления качениюf:
Рf = Gа · cos α · f.
Рис.1. Сила тяжести (вес) автомобиля и ее составляющие.
При движении по усовершенствованным дорогам, продольные углы уклонов αкоторых не превышают 150,cos α ≈1. В этом случае силу сопротивления качению можно принять равной:
Рf = Gа ·f.
С помощью коэффициента сопротивления качению fоценивают сопротивления, характеризуемые дорожным покрытием, его типом и состоянием.
Определение сопротивления качению автомобиля проводят из условия его движения по дороге при использовании стандартных шин в нормальном техническом состоянии (рекомендуемое давление воздуха в шине и требуемая высота протектора). Допускаемая нагрузка автомобиля при этом не должна превышать допустимую величину по ГОСТ.
С изменением скорости движения автомобиля величина f не остается постоянной, а меняется, например, согласно следующей зависимости:
где f0 — коэффициент сопротивления качению в начале движении автомобиля с малой скоростью, не превышающей 20км/ч(5,55м/с); V – эксплуатационная скорость автомобиля, м/с.
Значение f0находится в интервале:f0 = 0,012…0,016 (для асфальтированных дорог) иf0 = 0,025…0,035 (для грунтовых укатанных дорог).
Сила сопротивления подъему Рh, действующая на автомобиль при движении по наклонному участку (рис.1), равна составляющей силы тяжести (веса), параллельной плоскости подъема:
Рh = Gа·sin α= m·g·sin α,
Gа, m— вес и масса автомобиля соответственно,g— ускорение свободного падения (9,81м/с2) ,α— угол подъема.
При движении автомобиля под уклон сила Рhсовпадает с направлением тяговой силыРк. Таким образом, в зависимости от условий движения автомобиля силаРhможет быть и силой сопротивления и силой, движущей автомобиль.
Силы сопротивления качению и подъему действуют совместно при движении автомобиля и зависят от состояния (типа) дороги и ее продольного профиля. Поэтому их удобно представлять в виде суммы сил сопротивления качению и подъему, которую называют суммарной силой дорожного сопротивления (силой сопротивления дороги)Рψ:
Рψ=Рf +Рh=Gа(f ·cos α+sin α) =Gа ·ψ ;
ψ – коэффициент дорожного сопротивления: ψ=f ·cos α+sin α.
В общем виде выражения для силы дорожного сопротивления имеет вид:
Рψ= m·g·f ·cos α + m·g ·sin α = m·g(f ·cos α + sin α)=m·g·ψ.
В дорожной документации наклон (уклон) дороги принято оценивать тангенсом угла α(отношение высоты подъемаhк длинеlего подошвы, которую обычно принимают:l= 100м) и выражать его непосредственно (i=tg α) или сотых долях (i = h/l) или в процентах. Например, один и тот же уклон дороги может быть выражен какi= 0,03 илиi= 3%. Так как продольные уклоны дороги обычно невелики, тоsin α~tg α = h/l.
Допустимо использовать упрощенное выражение в пределах углов подъема до 150, принимаяcos α~ 1:
Рψ= m·g·f + m·g ·sin α = m·g(f + sin α) = Gа(f + sin α).
Сила сопротивления воздуха
Дорожная эксплуатационная мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивлений, весьма велика (см. рис.). Например, для поддержания равномерного движения (190 км/ч) четырех дверного седана, массой 1670кг, площадью миделя 2,05м2, Сх= 0,45 требуется около 120кВтмощности, причем 75 % мощности затрачивается на аэродинамическое сопротивление. Мощности, затрачиваемые на преодоление аэродинамического и дорожного (качения) сопротивления приблизительно равны на скорости 90 км/ч, и в сумме составляют 20 – 25кВт.
Примечание к рисунку: сплошная линия – аэродинамическое сопротивление; пунктирная линия – сопротивление качению.
Сила сопротивления воздуха Рwобусловлена трением в прилегающих к поверхности автомобиля слоях воздуха, сжатием воздуха движущейся машиной, разрежением за машиной и вихреобразованием в окружающих автомобиль слоях воздуха. На величину аэродинамического сопротивления автомобиля влияет ряд и других факторов, главным из которых является его форма. В качестве упрощенного примера влияния формы автомобиля на его аэродинамическое сопротивление проиллюстрировано на схеме, приведенной ниже.
Направление движения автомобиля
Значительная часть всей силы сопротивления воздуха составляет лобовое сопротивление, которое зависит от лобовой площади (наибольшей площади поперечного сечения автомобиля).
Для определения силы сопротивления воздуха используют зависимость:
Рw=0,5·сх·ρ·F·vn,
где сх– коэффициент, характеризующий форму тела и аэродинамическое качество машины (коэффициент аэродинамического сопротивления);
F— лобовая площадь автомобиля (площадь проекции на плоскость, перпендикулярную продольной оси),м2;
v— скорость движения машины,м/с;
n— показатель степени (для реальных скоростей движения автомобилей принимается равным 2).
ρ— плотность воздуха:
,кг/м3,
где ρ0= 1,189кг/м3,р0= 0,1МПа,Т0= 293К– плотность, давление и температура воздуха при нормальных условиях;
ρ,р,Т– плотность, давление и температура воздуха при расчетных условиях.
При расчетах лобовую площадь F легковых автомобилей со стандартным кузовом определяют по приближенной формуле:
F= 0,8ВгНг,
где Вг — габаритная ширина автомобиля, м;
Нг — габаритная высота автомобиля, м.
Для автобусов и грузовых автомобилей с кузовом в виде фургона или с тентом:
F = 0,9ВГНГ.
Для условий работы автомобиля плотность воздуха изменяется мало (ρ= 1,24…1,26кг/м3). Заменив произведение (0,5·сх·ρ) , черезкw, получим:
Рw=кw ·F·v2,
где кw –коэффициент обтекаемости; по определению он представляет собой удельную силу вН, необходимую для движения со скоростью 1м/св воздушной среде тела данной формы с лобовой площадью 1м2:
, Н·с2/м4.
Произведение (кw·F) называютфактором сопротивления воздушной среды или фактором обтекаемости, характеризующим размеры и форму автомобиля в отношении свойств обтекаемости (его аэродинамические качества).
Средние значения коэффициентов сх, kw и лобовых площадей F для различных типов автомобилей приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1.
Параметры, характеризующие аэродинамические качества автомобилей:
| Автомобили | F, м2 | сх, Н·с2/м·кг | kw, Н·с2/м4 |
| Легковые | 1,6-2,6 | 0,3-0,52 | 0,2-0,35 |
| Автобусы | 3,5-7,0 | 0,65-0,77 | 0,35-0,55 |
| Грузовые:бортовыедвухзвенные | 3,0-5,34,0-5.3 | 0,9-1,50,93-1,16 | 0,5-0,70,60-0,75 |
| Грузовые с кузовом фургонАвтопоезда | 3,5-8,07,0-15,0 | 0,8-1,01,4-1,55 | 0,5-0,60,85-0,95 |
Известные значения аэродинамических коэффициентов cxиkwи площади габаритного поперечного (миделевого) сеченияF для некоторых серийно выпускаемых автомобилей (по данным заводов-изготовителей) приведены в табл. 2.1.-а.
Таблица 2.1-а.
Аэродинамические коэффициенты и лобовая площадь автомобилей:
| № | Автомобиль | сх | кw | F |
| ВАЗ-2121 | 0,56 | 0,35 | 1,8 | |
| ВАЗ-2110 | 0,334 | 0,208 | 2,04 | |
| М-2141 | 0,38 | 0,24 | 1,89 | |
| ГАЗ-2410 | 0,34 | 0,3 | 2,28 | |
| ГАЗ-3105 | 0,32 | 0,22 | 2,1 | |
| ГАЗ-3110 | 0,56 | 0,348 | 2,28 | |
| ГАЗ-3111 | 0,453 | 0,282 | 2,3 | |
| «Ока» | 0,409 | 0,255 | 1,69 | |
| УАЗ-3160 (jeep) | 0,527 | 0,328 | 3,31 | |
| ГАЗ-3302 бортовой | 0,59 | 0,37 | 3,6 | |
| ГАЗ-3302 фургон | 0,54 | 0,34 | 5,0 | |
| ЗИЛ-130 бортовой | 0,87 | 0,54 | 5,05 | |
| КамАЗ-5320 бортовой | 0,728 | 0,453 | 6,0 | |
| КамАЗ-5320 тентовый | 0,68 | 0,43 | 7,6 | |
| МАЗ-500А тентовый | 0,72 | 0,45 | 8,5 | |
| МАЗ-5336 тентовый | 0,79 | 0,52 | 8,3 | |
| ЗИЛ-4331 тентовый | 0,66 | 0,41 | 7,5 | |
| ЗИЛ-5301 | 0,642 | 0,34 | 5,8 | |
| Урал-4320 (military) | 0,836 | 0,52 | 5,6 | |
| КрАЗ (military) | 0,551 | 0,343 | 8,5 | |
| ЛиАЗ bus (city) | 0,816 | 0,508 | 7,3 | |
| ПАЗ-3205 bus (city) | 0,70 | 0,436 | 6,8 | |
| Ikarus bus (city) | 0,794 | 0,494 | 7,5 | |
| Mercedes-Е | 0,322 | 0,2 | 2,28 | |
| Mercedes-А (kombi) | 0,332 | 0,206 | 2,31 | |
| Mercedes -ML (jeep) | 0,438 | 0,27 | 2,77 | |
| Audi A-2 | 0,313 | 0,195 | 2,21 | |
| Audi A-3 | 0,329 | 0,205 | 2,12 | |
| Audi S 3 | 0,336 | 0,209 | 2,12 | |
| Audi A-4 | 0,319 | 0,199 | 2,1 | |
| BMW 525i | 0,289 | 0,18 | 2,1 | |
| BMW- 3 | 0,293 | 0,182 | 2,19 | |
| Citroen X sara | 0,332 | 0,207 | 2,02 | |
| DAF 95 trailer | 0,626 | 0,39 | 8,5 | |
| Ferrari 360 | 0,364 | 0,227 | 1,99 | |
| Ferrari 550 | 0,313 | 0,195 | 2,11 | |
| Fiat Punto 60 | 0,341 | 0,21 | 2,09 | |
| Ford Escort | 0,362 | 0,225 | 2,11 | |
| Ford Mondeo | 0,352 | 0,219 | 2,66 | |
| Honda Civic | 0,355 | 0,221 | 2,16 | |
| Jaguar S | 0,385 | 0,24 | 2,24 | |
| Jaguar XK | 0,418 | 0,26 | 2,01 | |
| Jeep Cherokes | 0,475 | 0,296 | 2,48 | |
| McLaren F1 Sport | 0,319 | 0,198 | 1,80 | |
| Mazda 626 | 0,322 | 0,20 | 2,08 | |
| Mitsubishi Colt | 0,337 | 0,21 | 2,02 | |
| Mitsubishi Space Star | 0,341 | 0,212 | 2,28 | |
| Nissan Almera | 0,38 | 0,236 | 1,99 | |
| Nissan Maxima | 0,351 | 0,218 | 2,18 | |
| Opel Astra | 0,34 | 0,21 | 2,06 | |
| Peugeot 206 | 0,339 | 0,21 | 2,01 | |
| Peugeot 307 | 0,326 | 0,203 | 2,22 | |
| Peugeot 607 | 0,311 | 0,19 | 2,28 | |
| Porsche 911 | 0,332 | 0,206 | 1,95 | |
| Renault Clio | 0,349 | 0,217 | 1,98 | |
| Renault Laguna | 0,318 | 0,198 | 2,14 | |
| Skoda Felicia | 0,339 | 0,21 | 2,1 | |
| Subaru Impreza | 0,371 | 0,23 | 2,12 | |
| Suzuki Alto | 0,384 | 0,239 | 1,8 | |
| Toyota Corolla | 0,327 | 0,20 | 2,08 | |
| Toyota Avensis | 0,327 | 0,203 | 2,08 | |
| VW Lupo | 0,316 | 0,197 | 2,02 | |
| VW Beetl | 0,387 | 0,24 | 2,2 | |
| VW Bora | 0,328 | 0,204 | 2,14 | |
| Volvo S 40 | 0,348 | 0,217 | 2,06 | |
| Volvo S 60 | 0,321 | 0,20 | 2,19 | |
| Volvo S 80 | 0,325 | 0,203 | 2,26 | |
| Volvo B12 bus (tourist) | 0,493 | 0,307 | 8,2 | |
| MAN FRH422 bus (city) | 0,511 | 0,318 | 8,0 | |
| Mercedes 0404(inter city) | 0,50 | 0,311 | 10,0 |
Примечание:cx, Н·с2/м·кг; кw, Н·с2/м4– аэродинамические коэффициенты ;
F, м2– лобовая площадь автомобиля.
Для автомобилей, имеющих высокие скорости движения, сила Рwимеет доминирующее значение. Сопротивление воздушной среды определяется относительной скоростью автомобиля и воздуха, поэтому при её определении следует учитывать влияние ветра.
Точка приложения результирующей силы сопротивления воздуха Рw(центр парусности) лежит в поперечной (лобовой) плоскости симметрии автомобиля. Высота расположения этого центра над опорной поверхностью дорогиhwоказывает значительное влияние на устойчивость автомобиля при движении его с высокими скоростями.
Увеличение Рw может привести к тому, что продольный опрокидывающий моментРw·hwнастолько разгрузит передние колеса машины, что последняя потеряет управляемость вследствие плохого контакта управляемых колес с дорогой. Боковой ветер может вызвать занос автомобиля, который будет тем более вероятен, чем выше расположен центр парусности.
Попадающий в пространство между нижней части автомобиля и дорогой воздух создает дополнительное сопротивление движению за счет эффекта интенсивного образования вихрей. Для снижения этого сопротивления желательно передней части автомобиля придавать конфигурацию, которая препятствовала бы попадание встречного воздуха под его нижнюю часть.
По сравнению с одиночным автомобилем коэффициент сопротивления воздуха автопоезда с обычным прицепом выше на 20…30%, а с седельным прицепом – примерно на 10%. Антенна, зеркало внешнего вида, багажник над крышей, дополнительные фары и другие выступающие детали или открытые окна увеличивают сопротивление воздуха.
При скорости движения автомобиля до 40 км/чсилаРwменьше силы сопротивления качениюРfна асфальтированной дороге. При скоростях свыше 100км/чсила сопротивления воздуха представляет собой основную составляющую тягового баланса автомобиля.
Грузовые автомобили имеют плохо обтекаемые формы с резкими углами и большим числом выступающих частей. Чтобы снизить Рw, на грузовиках устанавливают над кабиной обтекатели и другие приспособления.
Подъемная аэродинамическая сила. Появление подъемной аэродинамической силы обусловлено перепадом давлений воздуха на автомобиль снизу и сверху (по аналогии подъемной силы крыла самолета). Преобладание давления воздуха снизу над давлением сверху объясняется тем, что скорость воздушного потока, обтекающего автомобиль снизу, гораздо меньше, чем сверху. Значение подъемной аэродинамической силы не превышает 1,5% от веса самого автомобиля. Например, для легкового автомобиля ГАЗ-3102 «Волга» подъемная аэродинамическая сила при скорости движения 100км/чсоставляет около 1,3% от собственного веса автомобиля.
Спортивным автомобилям, движущимся с большими скоростями, придают такую форму, при которой подъемная сила направлена вниз, которая прижимает автомобиль к дороге. Иногда с этой же целью такие автомобили оснащают специальными аэродинамическими плоскостями.
Силы сопротивления ускорению
При разгоне (замедлении) автомобиль преодолевают силы инерции поступательно движущихся масс, а также моменты инерции ускоренно вращающихся масс двигателя и автомобиля.
Сила инерции Рjппоступательно движущейся массы автомобиля приложена в центре его массы и определяется по формуле:
,
где dv/dt— ускорение автомобиля,м/с2.
Однако, это уравнение справедливо, когда все части автомобиля движутся только поступательно.
В действительности значительные сопротивления ускорению приходится также преодолевать на разгон вращающихся деталей двигателя и трансмиссии, а также колес автомобиля. В связи с этим при определении полной силы сопротивления разгону Рjвводится коэффициентδвр(иногда его обозначаютβвр), учитывающий влияние моментов инерции вращающихся частей двигателя и автомобиля:
Величину, определяемую произведением 
, называютприведенной массой автомобиля.
+Очевидно, что коэффициент δврвсегда больше единицы. Этот коэффициент, учитывающий инерционность вращающихся масс двигателя, трансмиссии и колес автомобиля, зависит от многих факторов и прежде всего от квадрата передаточного числа коробки передачuкп :
δвр= (1,03…1,05) + (0,04…0,06)·uкп2.
Для практических расчетов можно пользоваться зависимостью:
δвр= 1,04 + 0,05·uкп2.
Иногда пользуются другой зависимостью:
δвр= 1 +δ1+δ2,
где δ1 — коэффициент, учитывающий влияние моментов инерции вращающихся частей двигателя:δ1 = 0,04…0,6;
δ2— коэффициент, учитывающий влияние моментов инерции вращающихся частей автомобиля (трансмиссии и колес):δ2 = 0,04…0,07.
