Под действием внешних воздействий автомобильное колесо за счет эластичности шинной резины и упругости сжатого в камере воздуха деформируется. Эта деформация складывается из ряда связанных и взаимовлияющих деформаций шины, происходящих по разным направлениям. Рассмотрим эти деформации, используя некоторые материалы книги В. И. Кнороза «Работа автомобильной шины» и стандарта.

Нормальная деформация шины — одно из самых замечательных свойств автомобильного колеса. Способность деформироваться в направлении, перпендикулярном дороге, позволяет шине смягчать удары о дорожные неровности, а, следовательно значительно улучшать условия работы агрегатов автомобиля.

Окружная деформация измеряется по длине окружности колеса. Она возникает одновременно с нормальной деформацией и так же, как последняя, является следствием радиальной деформации шины. Проявляется окружная деформация в виде сжатия элементов протектора и всего профиля шины. Это значит, что при воздействии на колесо нормальной нагрузки длина окружности шины уменьшается. Окружная деформация увеличивается по направлению к центру контакта шины с дорогой и может достигать 5—7%. В верхней части шины она ничтожно мала.

Рис. 7. Схема радиальной деформации неподвижного колеса

Причину окружной деформации шины раскрывает рис. 8. Представим себе, что вывешенное колесо, опускаясь, входит в контакт с дорогой ДД. Первыми ее касаются элементы протектора 1—1, затем 2—2 и т. д. Так формируется плоский контакт. Но ведь перед нагружением эта часть колеса была криволинейна. Следовательно, при образовании контакта колеса с дорогой в процессе нагружения этого колеса силами Pz и Rz нижняя часть шины распрямляется. При этом все ее элементы, лежащие выше некоторой нейтральной линии 00, будут растягиваться, а ниже — сжиматься. Эпюра соответствующих напряжений сжатия и растяжения о на рисунке условно показана линейной. Теперь ясно, что на каждый элемент протектора со стороны остальной массы колеса действуют элементарная нормальная сила dPZi и элементарная касательная сила dPxi, направленная к центру контакта. Со стороны дороги на этот элемент действуют равные им и противоположно направленные элементарная нормальная реакция dRz и элементарная сила трения dRz. Силы dPz и dRz уменьшает высоту элемента за счет некоторого его разбухания. Просуммировав этот эффект по всей высоте профиля шины, мы получим ее нормальную деформацию. Пара сил dPx и dRx изгибают элемент, создавая окружную деформацию шины. Рассматривая действие аналогичных пар по высоте профиля, можно образовать для каждого сечения линии 1—1, 2—2 и т. д. Они наглядно иллюстрируют окружную деформацию: ведь у ненагруженного вывешенного колеса эти линии были бы радиальными прямыми. На границах контакта силы трения малы, так как малы нормальные силы dRz. А это значит, что вдоль границы контакта появляется зона, где dPx>dRx. В этой зоне элементы протектора будут проскальзывать по направлению к центру контакта, пока не займут положения, в котором сила dPz будет достаточно велика, чтобы выполнялось равенство dPx — dRx. Практика показывает, что такая зона скольжения всегда появляется в процессе нагружения колеса нормальной нагрузкой. Но ведь качение колеса по дороге есть постоянное нагружение нормальной нагрузкой все новых и новых участков шины, входящих в контакт. Отсюда можно сделать важный вывод: у движущегося эластичного колеса элементы протектора, находящиеся в контакте с дорогой и лежащие близко от границы контакта, всепда проскальзывают по дороге.

Рис. 8. Схема окружной деформации неподвижного колеса

У неподвижного колеса окружная деформация симметрична относительно вертикальной оси z—z. Приложение к колесу момента или продольной силы нарушает эту симметрию, изменяя окружную деформацию в касательном направлении. Такое изменение окружной деформации называют тангенциальной деформацией шины. Тангенциальная деформация, возникающая от действия продольной силы, приводит к тому, что вертикальная ось колеса смещается относительно центра контакта А (рис. 9) в направлении действия этой силы на величину С. Действие на колесо момента, например, тормозного приводит к угловому смещению обода колеса относительно неподвижного контакта на угол р. Характер тангенциальной деформации показывают радиальные линии, нанесенные на профиль шины. Поскольку к закручиванию шины ведет и действие продольной силы, тангенциальную деформацию оценивают углом закрутки шины. Тангенциальная деформация шины оказывает огромное влияние на кинематику движения автомобильного колеса, особенно в ведущем и тормозном режимах.

Выше было показано, что если к жесткому колесу движущегося автомобиля приложить тормозной момент, то наступает несоответствие между относительной и переносной скоростями точки контакта С, в результате чего эта точка скользит по дороге. Это происходит потому, что все точки жесткого колеса имеют одну и ту же угловую скорость.

Рис. 9. Схема тангенциальной деформации колеса

Реальное же эластичное колесо можно представить как набор концентрических колец, из которых внешнее касается дороги, а внутреннее —жесткого диска (рис. 10). На рисунке для упрощения показано колесо, не имеющее нормальной деформации. Кольца могут упруго смещаться друг относительно друга в окружном направлении. Сумма этих смещений, взятая по высоте профиля шины, будет равна ее тангенциальной деформации. С другой стороны, смещение одного кольца относительно другого означает, что кольца вращаются с различными угловыми скоростями (соответствующие эпюры показаны на рис. 10,а).

Рис. 10. Кинематическая схема торможения эластичного колеса:
а — эпюры относительной и переносной скоростей; б —эпюра абсолютной скорости; в — сравнение эпюр абсолютных скоростей жесткого колеса, нескользящего и скользящего эластичного колеса

Поскольку связь между кольцами упругая, их взаимные смещения достигают максимума в середине рабочего сектора шины, затем уменьшаются и вне сектора становятся равными нулю. Это значит, что вне рабочего сектора угловая скорость всей массы колеса одинакова. Соответствующая эпюра абсолютной скорости показана на рис. 10,6. В процессе качения заторможённого колеса все новые и новые участки шины проходят рабочий сектор и деформируются в тангенциальном направлении, постоянно сохраняя несоответствие в угловых скоростях периферии колеса и его диска.

Несмотря на отсутствие скольжения в контакте, сила трения там существует, так как упругие силы стремятся восстановить форму шины и тем сильнее, чем больше деформация. Отсюда можно сделать вывод, что эластичное колесо в противоположность колесу жесткому может тормозить автомобиль, не скользя по дороге.

В эту картину надо внести два уточнения:
– во-первых, реальное эластичное колесо контактирует с дорогой не в точке, а на определенной площади, где всегда есть зона проскальзывания. Поэтому утверждение, что эластичное;
– колесо может тормозить автомобиль, не скользя по дороге, означает лишь то, что в контакте наряду со скользящими по дороге точками колеса есть хотя бы одна точка, имеющая абсолютную скорость, равную нулю. Во-вторых, практика показывает, что с ростом тормозного момента и ухудшением сцепления колеса с дорогой зона проскальзывания в контакте растет и, наконец, уже весь контакт может начать скользить по дороге. Эпюра абсолютной скорости, соответствующая этому случаю, показана на рис. 10,в штрих-пунктирной линией.

Интересно, что для всех трех случаев, показанных на рис. 10,8 (движение жесткого колеса со скольжением, движение эластичного колеса со скольжением, движение эластичного колеса без скольжения), радиус качения гк будет одинаков, так как стоящая в знаменателе формулы угловая скорость со относится по определению к жесткой части колеса.

Боковая деформация шины происходит под действием боковой силы Ру и боковой реакции Ry. Приложение боковой силы имеет своим следствием, во-первых, изменение формы профиля шины, во-вторых, изгиб ее протектора, в-третьих, некоторое перекатывание шины в поперечном направлении, в результате чего шина устанавливается в положение, показанное на рис. U,a-Теперь боковую деформацию шины можно показать как отклонение средней линии протектора abcdef от центральной плоскости вращения колеса abef (заштрихованная зона). Максимальная величина этого отклонения называется боковым упругим смещением колеса hy.

Значительно искажая профиль шины, боковая деформация изменяет тангенциальную и нормальную деформации. Установлено, что боковая деформация уменьшает динамический радиус колеса.

Важнейшим следствием боковой эластичности автомобильного колеса является его боковой увод, т. е. перемещение в поперечной плоскости центра колеса, которое катится без бокового скольжения. Увод колеса в значительной мере определяет управляемость автомобиля и уже только поэтому считается одной из важнейших характеристик шины.

Рассмотрим процесс деформации шины движущегося колеса и возникновения бокового увода на примере движения элемента средней линии протектора. Вне рабочего сектора деформации нет, и элемент находится на линии ab, совпадающей с центральной плоскостью вращения колеса. Затем под действием боковой силы начинается деформация элемента протектора, он входит в контакт уже деформированным, причем на участке контакта до точки с отмечается незначительное проскальзывание. На участке ей элемент неподвижен относительно дороги. На этом отпез-ке происходит накаплинэние боковой деформации, а следовательно, и увеличение элементарной боковой силы, лей-ствующей со стороны элемента на дорогу. Наконец, в точке d эта сила становится больше противодействующей силы трения, и элемент начинает скользить в сторону действия силы Ру Боковая деформация уменьшается, и в точке е элемент опять занимает положение в Центральной плоскости враще-3* ния колеса. Таким образом, несмотря на то, что колесо продолжает вращаться в плоскости abef, его переносное движение по причине нарастания боковой деформации на участке cd происходит под углом к плоскости вращения. Угол б называется углом бокового увода.

Рис. 11. Схема боковой деформации но лес а:
а — неподвижного; в — катящегося

Угол бокового увода увеличивается с ростом боковой силы. При этом все большее число элементов контакта скользит вбок и, наконец, весь контакт колеса с дорогой срывается в боковое скольжение. Можно констатировать, что как упругое проскальзывание предваряет при росте тормозного момента юз колеса, так боковой увод при росте боковой силы неизбежно переходит в боковое скольжение.

Благодаря эластичности автомобильного колеса его контакт с дорогой происходит по определенной площади. Каждый элемент шины, находящийся в площади контакта, несет нормальную и касательную нагрузку. Элементарная нормальная реакция dRz, отнесенная к единице площади, называется удельной нагрузкой q. Элементарные продольная и боковая нагрузки аналогично определяют касательные напряжения хх и ху, причем суммарное касательное напряжение:

У неподвижного колеса удельные нагрузки распределены по контакту симметрично. Равнодействующая элементарных нормальных сил, которой является реакция Rz, будет приложена в центре контакта.

При качении шина испытывает заметную деформацию, т. е. по мере прохождения каждым ее элементом рабочего сектора происходит сначала искажение, а затем восстановление формы этого элемента. При искажении энергия тратится, во-первых, ка упругую деформацию элемента и таким образом накапливается, во-вторых, на внутреннее трение в материале шины и на внешнее трение в контакте (эта часть энергии переходит в тепло и рассеивается). При восстановлении формы элемента часть накопленной энергии опять тратится на трение, а остальная часть переходит в кинетическую энергию элемента шины, т. е. расходуется на качение. В результате энергия, затраченная на деформацию, получается больше, чем возвращенная шиной. Соответственно удельные нагрузки в передней зоне контакта выше, чем в задней. У тормозящего колеса это явление выражено еще ярче, чем у ведомого. За счет такого перераспределения удельных нагрузок равнодействующая реакция дороги Rz приложена на расстоянии b от центра контакта и создает момент сопротивления качению колеса.

Рис. 12. Распределение продольных касательных напряжений:
1 — ведомое колесо; 2 — тормозной момент 145 кгс-м; 3 — тормозной момент 215 кгс-м; 4 — предел по сцеплению

Тангенциальные напряжения у неподвижного колеса также симметричны. А так как элементарные касательные реакции направлены к центру контакта, их равнодействующие Rx и Ry равны нулю. При качении ведомого колеса симметрия практически сохраняется. Приложение к колесу тормозного момента резко меняет картину. Возникающая в контакте шины с дорогой тормозная сила является равнодействующей элементарных продольных сил, эпюра распределения которых по длине контакта показана на рис. 12.