Куда направлена сила трения колеса. Дифференциал на автомобиле. Сила сопротивления качению

Всем механикам с юности памятна картинка со схемой движения автомобиля по кривой, когда его внешние колеса проходят больший путь, чем внутренние. С ее помощью во многих учебниках для водителей разъясняются назначение и принцип действия дифференциала. Часто все сводится к тому, что дифференциал позволяет ведущим колесам вращаться с различными скоростями и, таким образом, обеспечивает нормальное движение автомобиля на поворотах.

Такие разъяснения не то чтобы совсем неправильны, но слишком упрощены и сути работы дифференциала не раскрывают. Конечно, в серьезных книгах все изложено правильно. Там сказано, что назначение межколесного дифференциала на автомобиле состоит в распределении крутящего момента строго поровну между ведущими колесами одного моста, а межмостового дифференциала – в распределении крутящего момента между ведущими мостами, — поровну или в оптимальной пропорции (несимметричный дифференциал).

«Дифференциал – это механизм, у которого ведущие колеса вращаются независимо друг от дружки».

Строго говоря, вращаются они «зависимо», ну да ладно, — что-то похожее на правду сказано, а об остальном ни слова, чтобы не забивать голову людям без специальной подготовки.

Зеленин С.Ф., Молоков В.А. Учебник по устройству автомобиля, М., «Русьавтокнига», 2000 г., 80 с. Тираж 15000 экз.

Цитата из этой книги:

« Дифференциал предназначен для распределения крутящего момента между полуосями ведущих колес при повороте автомобиля и при движении по неровностям дороги. Дифференциал позволяет колесам вращаться с разной угловой скоростью и проходить неодинаковый путь без проскальзывания относительно покрытия дороги.

Иными словами 100% крутящего момента, который приходит на дифференциал, могут распределяться между ведущими колесами как 50 х 50, так и в другой пропорции (например, 60 х 40). К сожалению, пропорция может быть и 100 х 0. Это означает, что одно из колес стоит на месте (в яме), а другое в это время буксует (по сырой земле, глине, снегу).

Что поделаешь! Ничто не бывает абсолютно правильным и идеальным, зато данная конструкция позволяет автомобилю поворачивать без заноса, а водителю не менять каждый день напрочь изношенные шины.

Рис. 38 Главная передача с дифференциалом

1 — полуоси; 2 — ведомая шестерня; 3 — ведущая шестерня; 4 — шестерни полуосей; 5 — шестерни-сателиты

Это уже не упрощение, а просто введение в заблуждение читателей. Здесь, кроме второго предложения и иллюстрации, все неправда (в первом предложении нужно вставить слово «поровну», а точку поставить после слова «колес» и т.д.).

Только однажды в учебнике для профтехобразования мне довелось встретить правильное и при этом простое и наглядное разъяснение сути работы дифференциала. Было это давно и помню только, что это был учебник для водителей зерновых комбайнов.

Там читателю предлагалось вообразить, что две полуосевые конические шестерни «развернуты» в две зубчатые рейки, эти рейки лежат на воображаемом столе, а между ними помещен сателлит в виде прямозубой шестерни. Выглядит это примерно так:

Объяснение сути работы дифференциала основано на его конструкции и на третьем законе Ньютона, который гласит: сила действия равна по модулю и противоположна по направлению силе противодействия. На следующем рисунке показано силовое взаимодействие сателлита с рейками, когда движущая сила Д приложена к оси сателлита и этот сателлит толкает обе рейки по столу, причем силы сопротивления движению левой и правой реек С лев и С прав одинаковы (силы трения реек о поверхность воображаемого стола) и каждая из них равна половине общей силы сопротивления С. Силы со стороны сателлита передаются на рейки в точках зацепления зубьев сателлита с зубьями реек. Благодаря равенству сил сопротивления движению С лев и С прав, равны между собой и движущие силы на зубьях сателлита, каждая из которых равна половине движущей силы Д. Поскольку равные силы приложены к двум зубьям сателлита, находящимся на равных расстояниях от его оси, сателлит находится в равновесии и не вращается. Поэтому все три детали движутся прямолинейно в одну сторону и с равными скоростями, а именно с той скоростью, с какой движется ось сателлита и которая задана двигателем.

Эта ситуация соответствует установившемуся движению автомобиля по дороге с хорошим сцеплением с дорогой.

Теперь представим, что при своем движении по столу, левая рейка «наехала» на пятно масла. При этом сила сопротивления ее движению (сила трения о стол) уменьшилась, а сила сопротивления движению правой рейки осталась прежней. На какой-то момент равновесие сил на зубьях сателлита нарушается: нагрузка на левый его зуб становится меньше нагрузки, действующей на его правый зуб. Иначе говоря, сателлиту стало легче толкать левую рейку, чем правую. Поэтому он начинает вращаться по часовой стрелке, как это показано на следующем рисунке.

Благодаря вращению сателлита движение правой рейки замедляется, а левая рейка наоборот ускоряется. Затем правая рейка полностью останавливается, а сателлит продолжает вращаться. Его ось продолжает двигаться с той же скоростью, что и прежде, так как эта скорость задана двигателем. Но поскольку правая рейка стоит, вращающийся сателлит обкатывается по ней. В момент, показанный на рисунке правый зуб сателлита стоит на месте, так как «упирается» в зуб неподвижной рейки. Но противоположный, левый зуб сателлита движется в два раза быстрее, чем ось самого сателлита. Все это соответствует ситуации, когда одно из ведущих колес медленно движущегося автомобиля наезжает, например, на обширное пятно льда, а второе остается на сухом покрытии с хорошим сцеплением. То есть машина останавливается и колесо, находящееся на льду, буксует, вращаясь в два раза быстрее, чем прежде, когда оба колеса катились с одинаковой скоростью.

Строго говоря, о нарушении равновесия сил на зубьях сателлита выше сказано некорректно и только потому, что, как мне кажется, так проще понять происходящее. На самом деле равновесие сил сохраняется всегда, только для его рассмотрения нужно еще учитывать силы, вызывающие ускорение левой рейки и замедление правой. Эти не рассматриваемые нами силы, исчезают с момента полной остановки правой рейки. В этот же момент удвоенная скорость движения левой рейки становится постоянной. И тогда ситуация полностью соответствует следующему рисунку.

Здесь равновесие сил восстановилось, точнее, — исчезли динамические силовые составляющие (те, что вызывали ускорение одной рейки и замедление другой). Правая рейка стоит, сателлит вращается, а левая рейка движется равномерно с удвоенной скоростью. Очень важно отметить что, равновесие сил перешло на новый уровень. Теперь равные силы на левом и правом зубьях сателлита стали существенно меньше прежних. В силу третьего закона Ньютона эти силы не могут превысить движущую силу, которую можно приложить к рейке, находящейся на пятне масла, или к колесу, находящемуся на пятне льда. Иными словами, если одно колесо стоит на сухой дороге, а противоположное буксует на льду или в грязи, это вовсе не означает, что 100% крутящего момента передается от двигателя на буксующее колесо, как сказано в упомянутой выше книге. Этот момент всегда и во всех условиях делится дифференциалом поровну между колесами, но он не может быть больше, чем позволяет сцепление одного из колес с дорогой, причем именно того колеса, у которого это сцепление меньше.

Только если в этих условиях заблокировать дифференциал, то есть выключить его из работы, тем или иным способом жестко соединив между собой полуоси, можно передать на колесо, стоящее на сухой дороге, подавляющую часть крутящего момента, который может развить двигатель. При этом буксование прекратится, оба колеса будут вращаться с одинаковой скоростью, но подавляющую часть суммарной силы тяги будет обеспечивать только одно из этих колес.

Мне кажется, что с помощью модели с зубчатыми рейками можно наглядно объяснить и все прочие режимы работы межколесного дифференциала. Например, ситуацию, иногда возникающую при торможении двигателем. Представим, что автомобиль движется под уклон на сухой дороге с пятнами льда. Водитель тормозит двигателем. В этом случае движущая сила, это сила инерции массы машины. А сила сопротивления движению, это сила, приложенная к осям сателлитов дифференциала со стороны двигателя. Одно из колес наезжает на пятно льда. Сила сцепления этого колеса с дорогой резко уменьшается, и оно начинает вращаться в обратную сторону. Здесь происходит то же самое, что произойдет с рейками если ось сателлита сделать неподвижной, но оставить ему свободу вращения вокруг этой оси, то есть имитировать ситуацию, когда ось сателлита тормозится или удерживается двигателем. Если теперь двинуть вперед одну из зубчатых реек, то сателлит начнет вращаться и заставит вторую рейку двигаться назад. Здесь рейка, движимая вперед, соответствует колесу на сухой дороге, а рейка, движущаяся назад, — колесу, находящемуся на льду и вращающемуся в обратную сторону. На мой взгляд, вращение буксующего колеса в обратную сторону очень наглядно демонстрирует «стремление» дифференциала выполнить свое предназначение и выровнять силы на двух колесах ведущего моста. В данном случае это силы торможения. Благодаря их выравниваю исключается или сильно снижается вероятность заноса автомобиля при таком режиме торможения.

Можно рассматривать еще многие ситуации, возникающие при работе дифференциала. Но полагаю, что и сказанного достаточно, чтобы убедиться: — межколесный дифференциал всегда делит получаемый от двигателя крутящий момент поровну между двумя колесами одного ведущего моста.

А теперь вернемся к упомянутой в самом начале картинке с автомобилем, движущемся по кривой. Если автомобиль заднеприводной, то получающие одинаковый крутящий момент два задних колеса преобразуют эти крутящие моменты в две одинаковые силы тяги (если шины колес имеют одинаковый диаметр, одинаковое давление накачки и несут одинаковые части веса автомобиля). А две одинаковые силы тяги стремятся толкать автомобиль по прямой. Именно поэтому, водителю при прохождении поворота приходится твердо удерживать рулевое колесо. Строго говоря, дифференциал на таком автомобиле не столько помогает, сколько мешает прохождению поворота. Зато он прямо способствует устойчивости движения по прямой (вместе с углами установки передних колес).

У переднеприводного автомобиля ситуация несколько иная. Здесь силы тяги также одинаковы на двух колесах, но они «поворачиваются» вместе с поворачиваемыми колесами. Поэтому, например, переднеприводной машине легче выйти из глубокой скользкой колеи: повернутые передние ведущие колеса активно тянут куда нужно. А у заднеприводного, задние ведущие колеса активно толкают машину вдоль колеи.

Здесь рассмотрена лишь малая часть того, что следовало бы водителям знать о работе дифференциала и на это потребовалось много слов и картинок. Так может быть правы те, кто ограничивается пресловутой картинкой с разным пробегом у разных колес на повороте? Может быть. Но полагаю, что следует, если и не вдаваться в пространные разъяснения, то хотя бы просто написать, для чего действительно предназначен этот механизм. А кто захочет дойти до сути, найдет, где об этом почитать. И уж совсем ни к чему пропагандировать собственное неверное понимание этой сути.

Изменение направления движения любого тела можно достичь только приложением к нему внешних сил. При движении транспортного средства на него действует множество сил, при этом шины выполняют важные функции: каждое изменение направления или скорости движения транспортного средства вызывает появление в шине действующих сил.

Шина – это элемент связи между транспортным средством и проезжей частью. Именно в месте контакта шины с дорогой решается главный вопрос безопасности движения транспортного средства. Через шину передаются все силы и моменты, возникающие при разгоне и торможении автомобиля, при изменении направления его движения.

Шина воспринимает действия боковых сил, удерживая автомобиль на выбранной водителем траектории движения. Поэтому физические условия сцепления шины с поверхностью дороги определяют границы динамических нагрузок, действующих на транспортное средство.

Рис. 01: Посадка бескамерной шины на ободе;
1. Обод; 2. Подкат (Хамп) на поверхности посадки борта шины; 3. Борт обода; 4. Каркас шины; 5. воздухонепроницаемый внутренний слой; 6. Брекерный пояс; 7. Протектор; 8. Боковина шины; 9. Борт шины; 10. Сердечник борта; 11. Вентиль

Решающие критерии оценки:
-Обеспечение устойчивого прямолинейного движения при действии на автомобиль боковых сил
-Обеспечение устойчивого движения на поворотах Обеспечение сцепления на различных поверхностях проезжей части Обеспечение сцепления с дорогой при различных погодных условиях
-Обеспечение хорошей управляемости автомобиля Обеспечение комфортных условий движения (гашение колебаний, обеспечение плавности хода, минимальная шумность качения)
-Прочность, износостойкость, высокий срок службы
-Невысокая цена
-Минимальный риск повреждения шины при её пробуксовке

Проскальзывание шины

Проскальзывание шины или её буксование происходит из разницы между теоретической скоростью движения, обусловленной вращением колеса, и действительной скоростью движения, обеспечиваемой силами сцепления колеса с дорогой

Посредством приведенного примера можно пояснить это утверждение: пусть длина окружности по внешней беговой поверхности шины легкового автомобиля составляет около 1,5 м. Если при движении автомобиля колесо поворачивается вокруг оси вращения 10 раз, то пройденный автомобилем путь должен составить 15 м. Если же происходит проскальзывание шины, то пройденный автомобилем путь становится короче Закон инерции Каждое физическое тело стремится либо сохранять состояние покоя, либо сохранять состояние прямолинейного движения.

Чтобы вывести физическое тело из состояния покоя или отклонить его от прямолинейного движения к телу должна быть приложена внешняя сила. Изменение скорости движения, как во время разгона автомобиля, так и при торможении потребует соответствующего приложения внешних сил. Если водитель пытается тормозить на повороте на покрытой льдом поверхности дороги, автомобиль будет стремиться двигаться прямо без явно выраженного стремления изменить скорость движения, при этом реакция на поворот рулевого колеса будет слишком вялой.

На обледенелой поверхности через колеса автомобиля может передаваться только маленькие силы торможения и боковые усилия, поэтому вождение автомобиля на скользкой дороге является непростой задачей. Моменты сил При вращательном движении на тело действуют или оказывают влияние моменты сил.

В режиме движения колеса вращаются вокруг своих осей, преодолевая моменты инерции покоя. Момент инерции колес возрастает с увеличением скорости его вращения и вместе с тем, скоростью движения автомобиля. Если транспортное средство находится одной стороной на скользкой проезжей части (например, обледенелой поверхности дороги), а другая сторона на дороге с нормальным коэффициентом сцепления (неоднородный коэффициент сцепления μ), то при торможении автомобиль получает вращательное движение вокруг вертикальной оси. Это вращательное движение называют моментом рысканья

Распределение сил наряду с весом тела (силой тяжести) на автомобиль действуют различные внешние силы, величина и направление которых зависит от режима и направления движения транспортно-го средства. При этом речь идет о следующих параметрах:

 Силах, действующих в продольном направлении, (например, силе тяги, силе сопротивления воздуха или силе трения качения)

 Силах, действующих в поперечном направлении, (например, усилие, прилагаемое к управляемым колесам автомобиля, центробежной силе при движении на повороте, или силе действия бокового ветре или силе, возникающей при движении на косо-горе).

Эти силы принято обозначать, как силы бокового увода автомобиля. Силы, действующие в продольном или поперечном направлении, передаются на шины, и через них на проезжую часть дороги в вертикальном или горизонтальном направлении, вызывая деформацию шины в про-дольном или поперечном направлении.

Рис. 04: Горизонтальная проекция угла бокового увода α и влияние бокового усилия Fs; vn = Скорость в направлении бокового увода vx = Скорость в продольном направлении Fs, Fy = Боковые усилия α = Угол бокового увода

Эти силы передаются на корпус авто-мобиля через:
 шасси автомобиля (так называемые ветровые силы)
 органы управления (рулевая сила)
 двигатель и агрегаты трансмиссии (движущая сила)
 тормозные механизмы (тормозные силы)
В противоположном направлении эти силы действуют со стороны дорожной поверхности на шины, передаваясь затем на транспортное средство. Это связано с тем, что: любая сила вызывает противодействие

Рис. 05: Скорость колеса vx в продоль-ном направлении, тормозная сила FB и тормозной момент MB; vx = Скорость колеса в продольном направлении FN = Вертикальная сила (нормальная реакция опоры) FB = Тормозная сила
MB = Тормозной момент

Для обеспечения движения тяговая сила, передаваемая на колесо посредством крутящего момента, создаваемого двигателем, должна превосходить все внешние силы сопротивления (продольные и поперечные силы), которые возникают, например, при движении автомобиля по дороге с поперечным уклоном.

Для оценки динамики движения, а также устойчивости движения транс-портного средства должны быть известны силы, действующие между шиной и дорожным полотном в так называемом пятне контакта шины с дорогой. Внешние силы, действующие в площадке соприкосновения шины с дорогой, передаются через колесо на транспортное средство. С увеличением практики вождения водитель все лучше и лучше учится реагировать на эти силы.

По мере приобретения опыта вождения, у водителя все отчетливее возникают ощущения сил действующих в пятне контакта шины с дорогой. Величина и направление внешних сил зависит от интенсивности разгона и торможения автомобиля, при действии боковых сил от ветра, или при движении по дороге с поперечным уклоном. Особняком стоит опыт вождения по скользким дорогам, когда чрезмерное воздействие на органы управления могут сорвать шины автомобиля в скольжение.

Но самое главное это то, что водитель обучается правильным и дозированным действиям органами управления, которые препятствуют возникновению неуправляемого движения. Неумелые действия водителя при высокой мощности двигателя особенно опасны, так как силы, действующие в пятне контакта, могут превысить допустимый предел по сцеплению, что может вызвать занос автомобиля или полную потерю управляемости, и повышает износ шин.

Силы в пятне контакта шины с дорогой Только строго дозированные силы в пятне контакта колеса с дорогой способны обеспечить соответствующие желанию водителя скорость и изменение направления движения. Суммарная сила в пятне контакта шины с дорогой складывается из следующих составляющих её сил:

Касательная сила, направленная по окружности шины Касательная сила Fμ возникает в результате передачи крутящего момента приводным механизмом или при торможении автомобиля. Она действует в продольном направлении на поверхность дороги (продольная сила) и дает возможность водителю произвести разгон при воздействии на педаль газа или обеспечить замедление движения при его воздействии на педаль тормоза.

Вертикальная сила (нормальная реакция опоры) Вертикальная сила между шиной и поверхностью дороги обозначается как радиально направленная сила, или как нормальная реакция опоры FN. Вертикальная сила между шиной и поверхностью дороги присутствует всегда, как при движении транспортного средства, так и при его неподвижности. Вертикальная сила, действующая на опорную поверхность, определяется частью веса автомобиля, приходящегося на это колесо, плюс дополнительная вертикальная сила, возникающая в результате перераспределения веса при разгоне, торможении или движении в повороте.

Вертикальная сила увеличивается или уменьшается при движении автомобиля на подъем или под уклон, при этом увеличение или уменьшение вертикальной силы зависит от направления движения автомобиля. Нормальная реакция опоры определяется при неподвижном положении транспортного средства, установленного на горизонтальной поверхности.

Дополнительные силы могут увеличить или уменьшить значение вертикальной силы между колесом и поверхностью дороги (нормальной реакции опоры). Так при движении не повороте дополнительная сила уменьшает вертикальную составляющую на внутренних к центру поворота колесах и увеличивает вертикальную составляющую на колесах внешней стороны транспортного средства.

Площадка контакта шины с поверхностью дороги деформируется прилагаемой к колесу вертикальной силой. Так как боковины шины подвергаются соответствующей деформации, вертикальная сила не может распределяться равномерно по всей площади пятна контакта, а возникает трапецевидное распределение давления шины на опорную поверхность. Боковины шины принимают на себя внешние силы, и шина деформируется в зависимости от величины и направления внешней нагрузки.

Боковая сила

Боковые силы оказывают действие на колесо, например, при действии бокового ветра, или при движении автомобиля на повороте. Управляемые колеса движущегося автомобиля при их отклонении от прямолинейного положения также подвергаются действию боковой силы. Боковые силы вызывает измерение направления движения транспортного средства.

На движущийся автомобиль действует ряд сил, часть из которых направлена по оси движения автомобиля, а часть - под углом к этой оси. Условимся называть первые из этих сил продольными, а вторые боковыми.

Рис. Схема сил действующих на ведущее колесо.
а — состояние неподвижности; б — состояние движения

Продольные силы могут быть направлены как по ходу, так и против хода движения автомобиля. Силы, направленные по ходу движения, являются движущимися и стремятся продолжить движение. Силы, направленные против хода движения, являются силами сопротивления и стремятся остановить автомобиль.

На автомобиль, движущийся по горизонтальному и прямому участку дороги, действуют следующие продольные силы:

  • тяговая сила
  • сила сопротивления воздуха
  • сила сопротивления качению

При движении автомобиля в гору возникает сила сопротивления подъему, а при разгоне автомобиля-сила сопро­тивления разгону (сила инерции).

Тяговая сила

Развиваемый двигателем автомобиля крутящий момент передается на ведущие колеса. В передаче крутящего момента от двигателя к ведущим колесам участвуют механизмы трансмиссии. Крутящий момент на ведущих колесах зависит от крутящего момента двигателя и передаточных чисел коробки передач и главной передачи. В точке касания колес с поверхностью дороги крутящий момент вызывает окружную силу. Противодействие дороги этой окружной силе выражается реактивной силой, передаваемой от дороги на ведущее колесо. Эта сила направлена в сторону движения автомобиля и называется толкающей или тяговой силой. Тяговая сила от колес передается на ведущий мост и далее на раму, заставляя автомобиль двигаться. Величина тяговой силы тем больше, чем больше крутящий момент двигателя и передаточные числа коробки передач и главной передачи. Тяговая сила на ведущих колесах дости­гает наибольшей величины при движении автомобиля на низшей передаче, поэтому низшую передачу используют при трогании с места автомобиля с грузом, при движении автомобиля по бездорожью. Величина тяговой силы на ведущих колесах автомобиля ограничивается сцеплением шин с поверхностью дороги.

Сила сцепления колес с дорогой

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

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

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

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

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

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

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

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

Сила сопротивления воздуха

При движении автомобиль преодолевает сопротивление воздуха, которое складывается из нескольких сопротивлений:

  • лобового сопротивле­ния (около 55-60% всего сопротивления воздуха)
  • создаваемого выступающими частями-подножками автобуса или автомобиля, крыльями (12-18%)
  • возникающего при прохождении воздуха через радиатор и подкапотное пространство (10-15%) и др.

Передней частью автомобиля воздух сжимается и раздвигает­ся, в то время как в задней части автомобиля создается разреже­ние, которое вызывает образование завихрений.

Сила сопротивления воздуха зависит от величины лобовой, поверхности автомобиля, его формы, а также от скорости движе­ния. Лобовую площадь грузового автомобиля определяют как произведение колеи (расстояние между шинами) на высоту авто­мобиля. Сила сопротивления воздуха возрастает пропорционально квадрату скорости движения автомобиля (если скорость возра­стает в 2 раза, то сопротивление воздуха увеличивается в 4 раза).

Для улучшения обтекаемости и уменьшения сопротивления воздуха ветровое стекло автомобиля располагают наклонно, а вы­ступающие детали (фары, крылья, ручки дверей) устанавливают заподлицо с внешними очертаниями кузова. У грузовых автомоби­лей можно уменьшить силу сопротивления воздуха, закрыв грузо­вую платформу брезентом, натянутым между крышей кабины и задним бортом.

Сила сопротивления качению

На каждое колесо ав­томобиля постоянно действует вертикальная нагрузка, которая вызывает вертикальную реакцию дороги. При движении автомобиля на него действует сила сопротивления качению, которая возникает вследствие деформации шин и дороги и трения шин о дорогу.

Сила сопротивления качению равна произведению полного веса автомобиля на коэффициент сопротивления качению шин, который зависит от давления воздуха в шинах и качества дорожного покрытия. Вот- некоторые значения коэффициента сопротивления качению шин:

  • для асфальтобетонного покрытия- 0,014-0,020
  • для гравийного покрытия-0,02-0,025
  • для песка-0,1-0,3

Сила сопротивления подъему

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

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

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

Сила сопротивления разгону

Часть тяговой силы при разгоне затрачивается на ускорение вращающихся масс, главным образом маховика коленчатого вала двигателя и колес автомобиля. Для того чтобы автомобиль начал двигаться с определенной скоростью, ему необходимо преодолеть силу сопротивления разгону, равную произведению массы автомобиля на ускорение. При разгоне автомобиля сила сопротивления разгону направлена в сторону, об­ратную движению. При торможении автомобиля и замедлении его движения эта сила направлена в сторону движения автомобиля. Бывают случаи, когда при резком разгоне груз или пассажиры падают из открытого , с сидений мотоцикла, а при резком торможении пассажиры ударяются о лобовое стекло или о перед­ний борт автомобиля. Для того чтобы таких случаев не было, необходимо, плавно увеличивая частоту вращения коленчатого вала двигателя, преодолевать силу сопротивления разгону и плавно осу­ществлять торможение автомобиля.

Центр тяжести

На автомобиль, как и на любое другое тело, действует сила тяжести, направленная вертикально вниз. Центром тяжести автомобиля называют такую точку автомобиля, от которой вес автомобиля распределяется равномерно во всех направлениях. У автомобиля центр тяжести располагается между передней и задней осью на высоте около 0,6 м для легковых и 0,7-1,0 м для гру­зовых. Чем ниже расположен центр тяжести, тем устойчивее авто­мобиль против опрокидывания. При загрузке автомобиля грузом центр тяжести поднимается у легковых автомобилей примерно на 0,3-0,4 м, а у грузовых на 0,5 м и более в зависимости от рода груза. При неравномерном укладывании груза центр тяжести может также сместиться вперед, назад или в сторону, при этом будут нарушаться устойчивость автомобиля и легкость управления.


319. Зачем в гололедицу тротуары посыпают песком?
320. Зачем зимой задние колеса некоторых грузовых автомобилей перевязывают цепями?
321. Для чего при спуске воза с горы одно колесо телеги иногда закрепляют так, чтобы оно не вращалось?
322. Зачем на шинах автомашин, колесных тракторов делают глубокий рельефный рисунок (протектор)?
323. Зачем осенью у трамвайных линий, проходящих эколо парков, бульваров и садов, вывешивается предупреждающий знак «Осторожно, листопад!»?
324. Почему после дождя грунтовая дорога скользкая?
325. Почему после дождя опасно съезжать на автомобиле по грунтовой дороге под уклон?


Рис. 79

326. Зачем некоторые мастера смазывают мылом шуруп и винчиванием его в скрепляемые детали?
327. Зачем стапеля, по которым судно спускают в, обильно смазывают?
328. Для чего делается насечка около шляпки гвоздя?
329. Назовите одну-две детали велосипеда, изготовленных с учетом увеличения силы трения скольжения.
330. Какой вид трения возникает при движении каранда-н случаях, указанных на рисунке 78? Куда направлена сила трения по отношению к карандашу в случае а, в случае б-относительно книги?
331. Тележка с грузом движется (рис. 79). Какой вид иия возникает между: а) столом и колесами; б) грузом ккой; в) осями колес и корпусом тележки?
332. Почему кирпичи не скатываются вниз (рис. 80 и 81)? i сила удерживает их в состоянии покоя? Изобразите действующие на кирпичи.
333. Брусок двигают вправо (рис. 82). Куда направлена i трения скольжения по отношению к бруску; относимо поверхности, по которой движется брусок?
334. Лестница у стены занимает положение, изображении рисунке 83. Укажите направление силы трения в месте соприкосновения лестницы со стеной и полом.


Рис. 80


Рис. 81


Рис. 82


Рис. 83


Рис. 84


Рис. 85


Рис. 86

335. Брусок движется равномерно (рис. 84). Куда направлена: а) сила упругости горизонтальной части нити; б) вертикальной; в) сила трения скольжения относительно поверхности стола, относительно бруска; г) чему равна равнодействующая этих сил?
336. Колесо автомобиля буксует (рис. 85). Куда направлена сила трения скольжения между буксующим колесом и дорогой относительно: а) колеса; б) дороги? Куда направлена сила упругости дороги?
337. Книга прижата к вертикальной поверхности (рис. 86). Изобразите графически направления сил тяжести и трения покоя, действующих на книгу.
338. Тележка равномерно дви жется вправо (см. рис. 79). Какая ] сила приводит в движение груз, поставленный на нее? Куда направлена эта сила?
339. На транспортере равномерно движется ящик с грузом (без скольжения). Куда направлена сила трения покоя между лентой транспортера и ящиком, когда ящик: а) поднимается; б) движется горизонтально; в) опускается?


Рис. 87

340. Если автобус равномерно движется по горизонгаль-.iy участку пути, чему равна сила трения покоя?
341. Парашютист, масса которого 70 кг, равномерно опускается. Чему равна сила сопротивления воздуха, действуюют на парашютиста?
342. С помощью динамометра равномерно перемещают г’сок (см. рис. 82). Чему равна сила трения скольжения между бруском и поверхностью стола? (Цена деления динамометра 1 Н.)
343. Зубья пилы разводят в разные стороны от плоскости пилы. На рисунке 87 показаны пропилы, сделанные неразведенной и разведенной пилами. Какой пилой труднее пилить: разведенной или неразведенной? Почему?
344. Приведите примеры, когда трение приносит пользу и когда вред.

Задача по физике - 5700

2017-12-15
Как направлена сила трения, действующая на ведущие колеса автомобиля, при разгоне (а), торможении (б), повороте (в)? Равна ли эта сила своему максимальному значению $\mu N$ ($\mu$ - коэффициент трения, $N$ - сила реакции полотна дороги), и если да, то в каких ситуациях? А в каких ситуациях нет? Хорошо это, или плохо, если сила трения достигает своего максимального значения? Почему? Какой автомобиль может развивать на дороге большую мощность - передне- или заднеприводный - при одинаковой мощности мотора и почему? Считать, что масса автомобиля распределена равномерно, и его центр тяжести находится посередине.


Решение:

Обсудим сначала вопрос о роли силы трения в движении машины. Представим себе, что водитель машины, стоящей на гладком-гладком льду (сила трения между колесами и льдом отсутствует), нажимает на педаль газа. Что будет происходить? Ясно, что машина ехать не будет: колеса будут вращаться, но будут пробуксовывать относительно льда - ведь трения-то нет. Причем это будет происходить независимо от мощности двигателя. А это значит, что для того, чтобы мощность двигателя использовать, нужно трение - без него машина не поедет.

Что же происходит, когда сила трения есть. Пусть сначала она очень маленькая, а водитель стоящей машины снова нажимает на педаль газа? Колеса (речь сейчас идет о ведущих колесах автомобиля, допустим это передние колеса) проскальзывают относительно поверхности (трение - маленькое), вращаясь так, как показано на рисунке, но при этом возникает сила трения, действующая со стороны дороги на колеса, направленная вперед по ходу движения машины. Она и толкает машину вперед.


Если сила трения большая, то при плавном нажатии на педаль газа колеса начинают вращаться, и как бы отталкиваются от шероховатостей дороги, используя силу трения, которая направлена вперед. При этом колеса не проскальзывают, а катятся по дороге, так, что нижняя точка колеса не перемещается относительно полотна. Иногда и при большом трении колеса пробуксовывают. Наверняка, вы сталкивались с ситуацией, когда какой-нибудь «сумасшедший водитель» так трогается при включении зеленого сигнала светофора, что колеса «визжат», а на дороге остается черный след из-за скольжения резины по асфальту. Итак, в экстренной ситуации (при резком торможении или трогании с побуксовкой) колеса скользят относительно дороги, в обычных случаях (когда на дороге не остается черного следа от стирающихся покрышек) колесо не скользит, а только катится по дороге.

Итак, если машина едет равномерно, то колеса не скользят по дороге, а катятся по ней так, что нижняя точка колеса покоится (а не проскальзывает) относительно дороги. Как в этом случае направлена сила трения? Сказать, что противоположно скорости машины - неверно, ведь говоря так про силу трения, подразумевают случай скольжения тела относительно поверхности, а сейчас у нас скольжения колес относительно дороги нет. Сила трения в этом случае может быть направлена как угодно, и мы сами определяем ее направление. И вот как это происходит.


Представим себе, что нет никаких препятствующих движению машины факторов. Тогда машина движется по инерции, колеса вращаются по инерции, причем угловая скорость вращения колес связана со скоростью движения машины. Установим эту связь. Пусть колесо движется со скоростью $v$ и вращается так, что нижняя точка колеса не проскальзывает относительно дороги. Перейдем в систему отсчета, связанную с центром колеса. В ней колесо как целое не движется, а только вращается, а земля движется назад со скоростью $v$. Но поскольку колесо не проскальзывает относительно земли, то его нижняя точка имеет такую же скорость как земля. А значит, и все точки поверхности колеса вращаются относительно центра со скоростью $v$ и, следовательно, имеют угловую скорость $\omega = v / R$, где R - радиус колеса. Переходя теперь назад в систему отсчета, связанную с землей, заключаем, что при отсутствии проскальзывания между нижней точкой колеса и дорогой угловая скорость колеса $\omega = v / R$, а все точки поверхности имеют разные скорости относительно земли: например, нижняя точка - нулевую, верхняя $2v$ и т. д.

А пусть водитель при таком движении машины нажимает на педаль газа. Он заставляет колесо вращаться быстрее, чем нужно при данной скорости машины. Колесо стремится проскользнуть назад, возникает сила трения, направленная вперед, которая и разгоняет машину (машина как бы отталкивается от шероховатостей дороги, используя силу трения). Если водитель нажимает на педаль тормоза, колесо стремится вращаться медленнее, чем нужно при данной скорости машины. Возникает сила трения, направленная назад, которая тормозит машину. Если водитель поворачивает колеса машины, возникает сила трения, направленная в сторону поворота, которая машину поворачивает. Таким образом, управление машиной - разгоном, торможением, поворотом - основано на правильном использовании силы трения, причем, конечно, подавляющее большинство водителей об этом даже не догадываются.

Ответим теперь на вопрос: равна ли эта сила своему максимальному значению? Вообще говоря, нет, поскольку нет скольжения колеса относительно дороги, а сила трения равна максимальному значению при скольжении. В покое сила трения может принимать любые значения от нуля до максимального $\mu N$, где $\mu$ - коэффициент трения; $N$ - сила реакции опоры. Поэтому если мы разгоняемся (сила трения направлена вперед), но хотим увеличить темп разгона, мы сильнее нажимаем на педаль газа, и увеличиваем силу трения. Аналогично, если мы тормозим (сила трения направлена назад), но хотим увеличить степень торможения, мы сильнее нажимаем на тормоз и увеличиваем силу трения. Но ясно, что ее можно увеличить и в том и в другом случае, если она не была максимальной! Таким образом, для управления машиной сила трения не должна равняться максимальному значению, и эту разность мы используем для совершения тех или иных маневров. И любой водитель (даже если он ничего не знает про силу трения, а таких, конечно, подавляющее большинство) интуитивно чувствует, есть ли у него резерв силы трения, «далеко» ли машина от пробуксовки, и есть ли возможность ей управлять.

Тем не менее, есть одна ситуация, когда сила трения равна своему максимальному значению. Эта ситуация называется заносом. Пусть водитель резко затормозил на скользкой дороге. Машина начинает скользить по дороге, это состояние движения и называется заносом. В этом случае сила трения направлена противоположно скорости (назад) и равна своему максимальному значению. Это ситуация очень опасна, ведь машина АБСОЛЮТНО неуправляема. Мы не можем повернуть (хоть как-то, хоть чуть-чуть), ведь для поворота нам нужна сила трения, направленная в сторону поворота, а в нашем распоряжении ее нет - сила трения максимальна и направлена назад. Мы не можем увеличить скорость торможения (невозможно увеличить силу трения - она и так максимальна), не можем (даже если бы мы захотели этого в такой ситуации) ускориться. Мы не можем ничего! Ситуация осложняется еще и тем, что в состоянии заноса машину никто не «держит» на дороге. Почему машина в обычных условиях не съезжает в кювет, ведь полотно дороги всегда делается покатым к обочинам, чтобы стекала вода? Ее держит сила трения, а вот если машина скользит (занос) сила трения направлена противоположно скорости и никак иначе. Поэтому любое «боковое» возмущение - покатость дороги, небольшой камень под одним из колес - могут развернуть или сбросить машину на обочину. Никогда не допускайте заноса1.

Теперь сравним мощность, которую могут развивать на дороге передне- и заднеприводной автомобили с одинаковым мотором. Очевидно, что мощность, которую может развивать автомобиль на дороге, зависит не только от его двигателя, но и от того, как автомобиль «использует» силу трения. Действительно, в отсутствие силы трения автомобиль стоял бы на месте (с вращающимися колесами) независимо от мощности двигателя (вращающего эти колеса). Докажем, что заднеприводные автомобили мощнее переднеприводных при одинаковой мощности мотора и оценим отношение мощностей, которые может развивать двигатель, разгоняя машину на дороге (при условии, что мощность самого двигателя может быть очень большой).


Разгоняет автомобиль сила трения, действующая на ведущие колеса, а она не может превышать значения $\mu N$ ($N$ - сила реакции). Поэтому чем больше сила реакции, тем больших значений может достигнуть разгоняющая сила трения (а нажатие на педаль газа в ситуации, когда сила трения достигла максимума, приведет только к проскальзыванию и к заносу, но не к увеличению мощности, которую развивает двигатель). Найдем силы реакции для задних и передних колес машины. Силы, действующие на машину при разгоне, показаны на рисунках (на правом - для заднеприводной, на левом - для переднеприводной). На машину действуют: сила тяжести, силы реакции и сила трения. Поскольку машина движется поступательно, сумма моментов всех сил относительно ее центра тяжести равна нулю. Поэтому, если центр тяжести машины находится точно посередине машины, расстояние между задними и передними колесами $l$, а высота центра тяжести над дорогой $h$, условие равенства нулю суммы моментов относительно центра тяжести дает (при условии, что машина движется, развивая максимальную мощность на максимуме силы трения):

переднеприводная машина

$N_{1} \frac{l}{2} = N_{2} \frac{l}{2} + F_{тр} h = N_{2} \frac{l}{2} + \mu N_{2} h$, (1)

заднеприводная машина

$N_{1} \frac{l}{2} = N_{2} \frac{l}{2} + F_{тр} h = N_{2} \frac{l}{2} + \mu N_{1}h$, (2)

где $\mu$ - коэффициент трения. Учитывая, что и в том и в другом случае $N_{1} + N_{2} = mg$, из (1) найдем силу реакции для передних колес в случае переднеприводного автомобиля

$N_{2}^{пп} = \frac{mgl/2}{l + \mu h}$ (3)

и из (2) силу реакции задних колес в случае заднего привода

$N_{1}^{зп} = \frac{mgl/2}{l - \mu h}$ (4)

(здесь (пп) и (зп) - передний и задний привод). Отсюда находим отношение сил трения, разгоняющих передне- и заднеприводную машину, и, следовательно, отношение мощностей, которые может развивать на дороге их двигатель

$\frac{P^{(пп)}}{P^{зп}} = \frac{l - mu h}{l + \mu h}$. (5)

Для значений $l = 3 м, h = 0,5 м$ и $\mu = 0,5$ имеем из (5)

$\frac{P^{(пп)}}{P^{(зп)}} = 0,85$.

Похожие статьи

© 2021-2022 dvigist.ru. Мир автомобилиста - Информационный портал.