Пятно контакта шины с дорогой — что это, на что влияет

Все водители слышали про пятно контакта шины. Но, многие не понимают, как параметр влияет на управляемость, как рассчитывается. Рассмотрим особенности пятна контакта, характеристики, взаимодействие с поверхностью, влияние на безопасность

Что такое пятно контакта шины с дорогой

Пятно контакта шины с дорогой – точка взаимодействия покрышки с поверхностью. Авторезина под тяжестью машины несколько деформируется. Вся площадь шины, контактирующая с асфальтом и будет точкой взаимодействия.

В зависимости от модификации покрышки, степени накачки площадь может изменяться. Особенно важно влияние давления и жесткости резиновой смеси на увеличение пятна взаимодействия с автодорогой, подбирая разные параметры можно менять некоторые ходовые характеристики автошины.

Как пятно контакта влияет на разгон

Вопреки распространенному мнению пятно контакта практически не влияет качество торможения. Может влиять на некоторые другие параметры, об этом позже.

Разберем, почему колесо тормозит примерно одинаково, вне зависимости от размера площади взаимодействия. С точки зрения простой логики, чем больше площадь, тем больше будет сила трения, соответственно эффективность торможения будет увеличиваться. Так и произойдет, если не учитывать дополнительные факторы.

Автомобиль имеет определенный вес, он распределяется по общей площади контакта всех покрышек. Могут быть незначительные различия по осям, но данный момент не сильно влияет на расчеты. На квадратный сантиметр, будет давить определенный вес. Если увеличить точку взаимодействия, масса распределиться уже по большей площади, соответственно давление на грунт уменьшится.

Уменьшение давления на дорогу будет пропорционально увеличению силы трения. В результате общий параметр останется неизменным. Соответственно, эффективность торможения будет такой же.

Аналогичное влияние оказывается и на разгон. Но, тут нужно учитывать особенности дорожного покрытия. На заснеженной дороге покрышка с меньшей площадью контакта будет эффективнее прорезать снег. Сцепление с асфальтом будет лучше, разгоняться машина будет лучше.

Увеличенное пятно контакта практически не влияет на управляемость. Сцепление с дорогой не изменяется, другие показатели тоже остаются одинаковыми. Увеличение площади контакта достигается за счет более широких покрышек. Такая шина может при выворачивании колеса может цепляться за арку, уменьшая радиус поворота. Фактор отрицательно сказывается на управляемости и безопасности.

От чего зависит сцепление шины с дорогой

На силу, качество сцепления покрышки с дорогой влияют следующие факторы:

• протектор;
• дорожное покрытие;
• состав резиновой смеси.

Разберем факторы подробнее.

• Протектор позволяет эффективнее отводить воду из пятна контакта. Ламели на зимней резине усиливают зацепление за скользкую дорогу. Все вместе это позволяет увеличить качество сцепления.
• Коэффициент сцепления на разном дорожном покрытии будет отличаться. Резина не одинаково взаимодействует с сухим асфальтом и льдом. Особенности покрытия, самый значительный фактор, влияющий на сцепление.
• Состав шины может сильно изменять возможности покрышки на разных дорогах. Особенно это ярко проявляется при сравнении зимней и летней авторезины. Для зимних покрышек применяются мягкие резиновые смеси, образующие шершавую поверхность. Они хорошо ведут себя на снегу и льду, на асфальте показывают результат хуже. Жесткая резиновая смесь летних покрышек на ледяной трассе покажет эффект «коньков», сцепления почти не будет.

В целом влияние пятна контакта водителями преувеличивается. На качество торможения и другие значимые факторы площадь взаимодействия шины с дорогой практически не влияет. Более важным является протектор и состав резиновой смеси.

Как разбортировать бескамерное колесо?

Как разбортировать колесо автомобиля?

Как отремонтировать шину своими руками

Как снять и установить колпаки с колес

Набор для ремонта шин: когда пригодится, состав, как пользоваться

Нарезка протектора — что это. Преимущества и недостатки процедуры

Маркер для шин: особенности, как пользоваться

Шины A/T: All-Terrain — назначение и особенности

Пятно контакта шин — важен ли его размер? (Спойлер — нет!)

Но как бы ни старались инженеры по доводке ходовой части и специалисты из отдела двигателей и трансмиссии, все их старания зависят от одной простой вещи — сцепления шины с дорогой. Ведь именно через него передаются все ускорения, заставляя автомобиль вовремя остановиться, разогнаться и оставаться на траектории движения.

Многие стремятся установить на свой автомобиль шины как можно большей ширины. Разумеется, довод один — широкая шина имеет большее пятно контакта, то есть большую опорную поверхность колеса. В результате автомобиль будет более устойчивым в поворотах, лучше разгоняться и т.д.

На самом деле это не совсем так. Конечно, при условии одинаковых моделей шин разница будет, но ее можно поймать лишь в экстремальных ситуациях. Да и водителей, способных это ощутить, можно пересчитать по пальцам — как бы обидно это ни звучало в отношении всех прочих. Ведь площадь этого самого пятна примерно равна ладони взрослого человека. Не больше. И с изменением ширины шины оно меняется не так сильно, как многим кажется.

Площадь пятна контакта зависит и от давления в шине. Всегда нужно выставлять рекомендованное производителем давление для конкретного размера шин. Ведь перекачанное колесо в поперечном сечении становится более округлым и площадь пятна значительно уменьшается. То же касается и недокачанного колеса.

Кто-то может подумать, что чуть спущенные шины имеют большее пятно за счет большей деформации. Но это справедливо лишь для мягкой дорожной поверхности (чем пользуются любители внедорожных вылазок). А к твердым покрытиям это не имеет никакого отношения. В этом случае контакт с дорогой осуществляется лишь боковыми дорожками протектора, и общая площадь пятна контакта сильно снижается. Не зря же при полной загрузке автомобиля давление в шинах рекомендуется увеличить: с большей нагрузкой возникает тот же эффект.

Шины очень сильно влияют на поведение автомобиля. Поэтому на них никогда не стоит экономить. И не надо гнаться за шинами с минимальной высотой профиля и максимальной шириной. Гораздо важнее выбрать те покрышки, у которых лучшие сцепные свойства (пусть они даже будут меньшего размера). А также следить за их износом и давлением. Это и будет залогом успеха того, что ваш автомобиль будет ехать именно так, как должен.

Автомобильные колеса

На автомобильном транспорте преимущественное применение получили колеса, поэтому автомобили часто называют колесным транспортом.
Колеса осуществляют связь автомобиля с дорогой. Они обеспечивают движение, поворот, передают вертикальные нагрузки от автомобиля на дорогу, воспринимают удары и колебания, передающиеся от дороги.
Первые колеса появились еще в глубокой древности. Наверное, к идее колеса человек пришел, подкладывая бревна под перемещаемые грузы. Затем появились первые повозки с деревянными колесами. Вначале использовались колесные пары, в которых два колеса жестко крепились на одной оси, а вращалась только эта ось. Недостаток такой конструкции заключался в том, что при движении на поворотах и неровной дороге, скрепленные между собой колеса не могут проходить различные пути и поэтому проскальзывают и быстро изнашиваются. Выход нашелся в свободной установке колес на неподвижной оси, которую жестко соединяли с повозкой. Со временем первые примитивные колеса, изготовленные из куска дерева, были усовершенствованы. Для облегчения колес стали применяться спицы, в центре колеса появилось утолщение — ступица, а на беговой части колесо упрочняли стальной полосой — шиной. Колеса первых автомобилей были еще деревянными, хотя ступицы уже изготавливали из металла. Такие колеса ограничивали скоростные возможности автомобиля, не обеспечивали безопасность и комфорт при езде. Большим достижением было изобретение пневматической шины. В зависимости от выполняемых функций автомобильные колеса разделяются на ведущие, управляемые, комбинированные (одновременно ведущие и управляемые) и поддерживающие.
Ведущие колеса приводятся во вращение от трансмиссии автомобиля и создают в контакте колеса с дорогой тяговое усилие. Управляемые колеса могут поворачиваться по команде водителя, при этом в контакте колеса с дорогой возникают боковые усилия, которые дают возможность автомобилю изменить направление движения. Поддерживающие колеса не приводят в движение автомобиль и не поворачиваются, а только воспринимают часть нагрузки автомобиля, что уменьшает суммарное давление на опорную поверхность дороги.

Схема сил, действующих на дорожное полотно и расчёты

При движении автомобиля по дороге в зоне контакта шины колеса с дорожным покрытием возникают динамические вертикальные, продольные и поперечные касательные силы, значение которых зависит от типа автомобиля, шины колеса, нагрузки, природно-климатических условий и т.п.

На стоящее колесо действует только одна сила вес автомобиля, приходящийся на это колесо. Особенностью автомобильного колеса является его эластичность. Под действием вертикальной силы колесо деформируется (рис. 3.1, а), в месте контакта радиус колеса меньше, чем в других частях колеса, не соприкасающихся с дорожным покрытием.

Рис. 3.1. Схема сил, действующих на дорожное покрытие:

а — стоящее колесо; б — ведущее колесо; в ведомое колесо; D — размер пятна контакта колеса с дорожным покрытием; Р_ср, Р_тах — соответственно средний и максимальный прогиб дорожного полотна; G — вес автомобиля; R — сила реакции; G_K — вес автомобиля, приходящийся на колесо; М_вр — вращающий момент; Т — сила трения; r_к — расстояние от центра колеса до поверхности дорожного покрытия; r — радиус колеса; а — расстояние от мгновенного центра скоростей О до линии действия силы реакции R; Р_к — окружная сила; v — скорость движения автомобиля

Площадь следа колеса F меняется в пределах 250. 1000 см 2 . Для одного и того же автомобиля значение F, м 2 , зависит от нагрузки на колесо:

F= G/p, (3.1)

где G вес автомобиля, приходящийся на колесо, Н; р давление, Па.

Значение р не должно превышать 0,65 МПа на дорогах I II категорий и 0,55 МПа на дорогах III V категорий.

Различают площадь отпечатка колеса по контуру в форме эллипса (рис. 3.1, а) и по выступам рисунка протектора. При определении среднего давления в расчет принимают площадь отпечатка по выступам протектора. При расчете дорожной одежды для вычисления р условно принимают площадь отпечатка в виде круга диаметром D, м, равновеликую площади эллипса:

D = 11,3√G/(0,1p) (3.2)

В большинстве автомобилей имеются ведущие и ведомые колеса. К ведущим колесам подается вращающий момент М_вр Н*м, от двигателя автомобиля:

где М_дв вращающий момент на коленчатом валу двигателя, Н • м; Uk передаточное число коробки передач; U_г передаточное число главной передачи; η коэффициент полезного действия главной передачи.

Действие вращающего момента Мвр вызывает появление в зоне контакта окружной силы Р_к, направленной в сторону, обратную движению (рис. 3.1, б). Сила Рк вызывает горизонтальную силу реакции Т, представляющую собой силу трения в плоскости контакта колеса с дорожным покрытием, при этом Т= Р_к.

Колесо и дорога. Силы действующие на колесо

Как будто все просто: вращение вала автомобильного двигателя, переданное через механизмы силовой передачи, заставляет вращаться колеса, колеса катятся по дороге; оси вращения при перекатывании колес перемещаются вперед; оси так или иначе связаны с рамой и кузовом автомобиля; значит, вместе с осями перемещается и кузов, и автомобиль. Однако такого описания недостаточно. Необходимо знать, какие силы действуют на колесо. Вот они:

• вращающий момент Мк, заставляющий колесо вращаться и создающий тяговую силу Рк
• сила тяжести, соответствующая нагрузке на колесо Gk
• вертикальная реакция дороги Z и горизонтальная X, действующая в направлении движения (т.е. обратном действию силы Рк).

Тяговая сила Рк (в кг) равна подводимому к колесам вращающему моменту Мк (в кгм), деленному на радиус качения колеса (в м):

Момент Мк зависит от крутящего момента двигателя Ме, передаточных чисел в системе силовой передачи и коэффициента полезного действия n силовой передачи, который для обычных автомобилей равен 0,9. Чем больше передаточные числа в коробке передач и в заднем мосту, тем больше подводимый к колесам вращающий момент:

где iк — передаточное число в коробке передач;
i0 — передаточное число главной передачи.

Рис. Слева — силы, действующие на колесо. Справа — дорога толкает колесо, ось перемещается вперед и толкает рессоры, рессоры толкают кузов.

Таким образом, тяговая сила на ведущих колесах автомобиля:

Теперь можно высказать два на первый взгляд неожиданных положения:

1. Движение колеса происходит под действием силы (реакции) X, т. е. дорога толкает автомобиль. Выше был приведен пример действия силы прыгуна на площадку и силы противодействия площадки. Точно так же и ведущее колесо автомобиля отталкивает от себя назад дорогу с силой Рк, а дорога противодействует этому силой (реакцией) X. Реакция X толкает вперед колесо, а оно через ось и подвеску толкает вперед весь автомобиль.
2. В каждое отдельно взятое мгновение ближайшие к дороге точки колеса неподвижны, не перемещаются относительно поверхности дороги. Более того, если бы они перемещались, автомобиль не двигался бы, а колесо скользило бы по поверхности дороги. Происходило бы то, что называется на языке автомобилистов буксованием колеса.

Чтобы точки контакта колеса с дорогой были неподвижными, требуется хорошее сцепление шины с поверхностью дороги.

Сцепление шины с дорогой оценивают так называемым коэффициентом сцепления Ф («фи»).

Рис. Величина коэффициента сцепления зависит от состояния поверхности дороги.

Коэффициент сцепления равен отношению наибольшей величины реакции X (при проскальзывании, буксовании колеса) к величине реакции Z:

Величина коэффициента сцепления Ф колеблется в пределах 0,5—0,8 для сухих твердых дорог и 0,15—0,4 для обледенелых или мокрых. Из приведенного графика видно, как влияет состояние поверхности асфальтовой дороги на коэффициент сцепления.

Коэффициент сцепления на сухой дороге лишь незначительно изменяется в зависимости от изменений нагрузки на колесо, давления в шине и скорости движения, но на мокрой или обледенелой дороге с увеличением скорости происходит резкое уменьшение коэффициента сцепления, так как шина не успевает выдавливать влагу, находящуюся в области контакта шины с дорогой, и остающаяся пленка влаги облегчает скольжение шины.

Необходимое для движения сцепление шины с дорогой связано с нежелательным трением. Но о каком трении может идти речь, если соприкасающиеся точки неподвижны? При внимательном изучении ближайшего к поверхности дороги участка шины видим, что:

1. шина сжимается, деформируется; происходит местное сжатие, а затем снова расширение шины; сжатие и расширение содержащегося в камере шины воздуха, взаимное перемещение частиц резины и частиц воздуха вызывает трение между ними;
2. к точке контакта шины с дорогой все время подходят сжатые элементы шины, а от точки отрыва шины от дороги отходят, наоборот, растянутые; так как резина эластична и прочна, шина не разрывается, а только сжимается и растягивается в области контакта ее с дорогой, поэтому происходит некоторое скольжение отдельных частиц шины по поверхности дороги и, как следствие, трение;
3. в углублениях поверхности дороги и рисунка протектора находится воздух; набегая на дорогу, участки протектора сплющиваются, резина заполняет углубления, выжимает из них воздух и как бы присасывается к поверхности дороги, и на отрыв шины от дороги требуется затрата дополнительной силы.

Рис. Работа колеса вызывает деформацию (изменение формы) шины.

Нетрудно сделать вывод, что описанные явления трения или сопротивления качению должны усиливаться при понижении давления в шине (так как при этом увеличиваются ее деформации) и при возрастании окружной скорости шины, а также при неровной или шероховатой поверхности дороги и при наличии заметных выступов и углублений в рисунке протектора шины.

Это на твердой дороге. А мягкую или не очень твердую дорогу, даже размягченный жарой асфальт, шина проминает и на это тоже приходится затрачивать часть тяговой силы.

Сопротивление качению колеса оценивается коэффициентом сопротивления качению f.

Коэффициент сопротивления качению равен отношению величины силы Pf, необходимой для качения колеса, к величине реакции Z:

Величина коэффициента сопротивления качению f возрастает с уменьшением давления в шине, с увеличением скорости движения (при малых скоростях увеличение коэффициента f незначительно) и с увеличением неровности дороги. Изменение величины f ясно видно из рассмотрения графика зависимости коэффициента f от скорости движения и давления в шине (на асфальте). Ниже даны значения этого коэффициента для различных видов дорог для скорости 30—60 км/час и при давлении в шинах около 2,5 кг/см2.

Так как сопротивление качению находится в прямой зависимости от величины коэффициента можно установить, что если для движения автомобиля по асфальту требуется определенная сила, то для движения по булыжнику и по гравийному шоссе нужна в 1,5 раза большая сила, для движения по проселку — в 2 раза, по песку — в 10 раз.

Из уравнения следует, что сила сопротивления качению равна:

или, так как реакция Z равна нагрузке на колесо,

Подсчитав силы сопротивления качению для отдельных колес и сложив их, получаем силу сопротивления качению автомобиля. Хотя сопротивление качению передних, задних, левых и правых колес неодинаковое, без большой ошибки допустимо подсчитывать суммарную силу сопротивления качению для движения с определенной скоростью по уравнению:

где Ga — полный вес автомобиля в кг.

Рис. Коэффициент сопротивления качению увеличивается с возрастанием скорости и с понижением давления в шинах.

На преодоление сопротивления качению затрачивается энергия и нужно уметь вычислить расходуемую при этом мощность.

Прежде чем перейти к мощности, вспомним, что отрезок пути S, пройденный автомобилем в единицу времени t, называется скоростью движения:

Путь измеряют метрами или километрами, а время — секундами или часами; поэтому единицами измерения скорости будут либо метры в секунду (Vа м/сек), либо километры в час (Vа км/час), причем 1 м/сек = 3,6 км/час.

Мощность вычисляют как отношение работы (PS кгм) ко времени (t сек.); так как отношение пути ко времени выражает скорость, то мощность можно вычислить и как произведение силы на скорость:

Значит, чтобы узнать мощность Nf в л.с., расходуемую на сопротивление качению, нужно помножить силу сопротивления Pf на скорость движения va в м/сек и разделить на 75, так как 1 л. с. соответствует механической работе в 75 кгм в 1 сек. Если скорость V выражена в км/час, нужно умножить полученное уравнение мощности на 1000 (метров в километре) и разделить на 3600 (секунд в часе):

Для того чтобы автомобиль двигался, тяговая сила Рк на ведущих колесах должна быть меньше силы сцепления колес с грунтом (иначе колеса будут скользить, буксовать) и не меньше силы сопротивления движению, которую при езде по горизонтальной дороге с невысокой постоянной скоростью (когда сопротивление воздуха незначительно) можно считать равной силе сопротивления качению, иначе колеса не смогут вращаться и двигатель перестанет работать.

В зависимости от числа оборотов вала двигателя и от открытия дроссельной заслонки крутящий момент двигателя изменяется. Почти всегда можно сочетать различные значения момента двигателя и передаточных чисел в коробке передач таким образом, чтобы, как сказано выше, тяговая сила была меньше силы сцепления и не меньше силы сопротивления движению.

Для небыстрого движения по асфальту всем автомобилям требуется значительно меньшая сила тяги, чем они могут развить даже на высшей передаче, поэтому ехать нужно с прикрытой дроссельной заслонкой. Как говорят, автомобили в этом случае обладают большим запасом тяги.

На проселочной дороге дело несколько меняется. Легковые автомобили, если нет ухабов, могут ехать на высшей передаче, но при сильном нажатии на педаль подачи топлива. У грузовых автомобилей (с полной нагрузкой) разница между максимальной тяговой силой на высшей передаче и силой сопротивления качению на проселке очень невелика. Поэтому незначительное отклонение от скорости, соответствующей наибольшему крутящему моменту двигателя (40—32 км/час), вызывает необходимость включения следующей передачи (вспомним, что при уменьшении числа оборотов или подачи топлива крутящий момент уменьшается, а вместе с ним и тяговая сила).

Для движения легковых автомобилей по песку тяговой силы на прямой передаче вообще недостаточно, а на второй передаче движение возможно лишь с определенной скоростью (32—26 км/час) и при полной подаче топлива; практически нужно ехать на первой передаче. Автомобиль ГАЗ-51 способен идти по песку только на первой передаче, а ЗИЛ-150 — только на первой и второй передачах. Следует оговориться, что есть такие пески, по которым обычный автомобиль и на первой передаче проехать не может.

Сила сцепления на сухом асфальте больше тяговой силы на любой передаче у любого из рассматриваемых автомобилей. Но на мокром или обледенелом асфальте движение на пониженных передачах и трогание с места без буксования возможно на легковых автомобилях только при неполном открытии дроссельной заслонки, т. е. со сравнительно небольшим крутящим моментом двигателя; для грузовых автомобилей это относится к первой и второй передачам.