Пояснения:
Давление в шинах
Очень часто возникает вопрос о давлении в шинах колес. Сколько людей – столько мнений. Как часто следует проверять давление, какое оно должно быть, как правильно накачивать колеса – все эти, и многие другие вопросы постоянно беспокоят автомобилистов.
Многие автолюбители, ежедневно эксплуатируя автомобиль, определяют давление в шинах на глаз, считая это достаточным. Но на самом деле давление необходимо проверять не реже одного раза в месяц при помощи манометра, а ещё лучше – раз в две недели. Проверять необходимо одновременно во всех колесах, причем автомобиль до этого не должен эксплуатироваться, так как во время движения шины нагреваются, и давление в колесах возрастает примерно на 0,2 bar. Также колеса нагреваются, находясь на солнце.
Рис.1: Измерение давления сжатого воздуха в шинах
Со временем, любое колесо теряет давление. В теплую погоду шины теряют давление сжатого воздуха гораздо быстрее, чем в холодную, так как температура сжатого воздуха в шине при её движении достигает высоких значений. С одной стороны, шина с повышенным давлением сжатого воздуха в ней плотнее прижимается к закраинам обода, с другой стороны, повышенное давление сжатого воздуха способствует большей потери воздуха через микроскопические поры герметичного слоя покрышки. Небольшая потеря давления, до 0,2 bar, не является критичным – это нормальная работа колес, но дальнейшее снижение давления может привести к потере устойчивости и снижению управляемости автомобиля.
Для повышения управляемости автомобиля на высоких скоростях, можно поднимать давление на 10%.
Если шину перекачать, то она будет легче катиться, повысится динамика автомобиля, уменьшится расход топлива. Автомобиль станет устойчив к пробоям, но увеличится нагрузка на элементы подвески, повысится нагрузка на ходовую часть и кузов.
При буксировке тяжелого прицепа лучше подкачать только колеса задней оси.
Рис. 2: Влияние давления в шине на обеспечение плотного контакта с дорожной поверхностью, и, соответственно, износ протектора
Ни в коем случае не рекомендуется снижать давление сжатого воздуха в шинах. Более мягкая шина при низком уровне давления быстрее изнашивается. Автомобиль становится менее управляемым, колесо может начать подтравливать сжатый воздух из-под борта шины, прилегающего к ободу колеса. Бортовое кольцо покрышки может самопроизвольно сползти с полки колеса в монтажное углубление обода при совершении поворота, или во время проезда препятствий.
При езде на спущенных колесах, быстро возникают разрушения нитей каркаса шины. Некоторые пытаются в изношенные покрышки вставлять камеры, но в бескамерные шины вставлять камеры категорически запрещено, так как упругие характеристики колеса существенно изменяются.
О давлении в шинах на разных осях
Для многих автомобилей рекомендуется разное давление на передней и задней осях, причем на задней оси оно может быть выше или ниже. Это зависит от компоновки автомобиля, и какая из осей автомобиля является ведущей. Снижение давления в передних колесах автомобиля с приводом на задние колеса увеличивает поворачиваемость автомобиля, то есть автомобиль охотнее входит в поворот даже при незначительном отклонении руля. Снижение давления в передних колесах автомобиля с приводом на передние колеса делает управляемость автомобиля «вялой», что характерно для недостаточной поворачиваемости.
Низкое давление сжатого воздуха в колесах одной из осей автомобиля может привести к непредсказуемому отклонению от заданного направления, вызванное порывом ветра, поворотом, изменением наклона дорожного покрытия.
Рис.3. Деформация шин и смещение кузова под действием боковой силы Fs
На рисунке 3 видно, что покрышки могут деформироваться под воздействием боковой силы, прилагаемой к кузову автомобиля, и пока действует сила Fs, эластичные детали рисунка протектора изгибаются, и покрышка катится со смещением в сторону действия боковой силы. В итоге шина получает боковой увод – плоскость вращения колеса не совпадает с направлением его движения по дороге. Если снизить давление, то увеличивается не столько контакт шины с дорожным полотном, насколько увеличится ее увод под действием боковой силы.
На рисунке 4 (А) видно, если под воздействием силы Fs перед автомобиля уведет влево больше, чем заднюю часть автомобиля, то возникнет инерционная сила, которая противодействует силе Fs Так происходит в том случае, если задние колеса перекачены сильнее передних. Если происходит обратная ситуация и передние колеса накачены сильнее задних, то возникает случай как изображено на рисунке 4 (B), при этом увод автомобиля в сторону увеличивается, может произойти занос.
Рис.4. Устойчивость движения (A) и неустойчивость движения (B) автомобилей при воздействии боковой силы Fs
Какое давление в шинах выгоднее при движении на льду?
Многие утверждают, что для зимы, чем мягче резина, тем лучше. Соответственно можно чуть спустить давление в колесах, чтобы они стали мягче. Завод изготовитель рекомендует придерживаться установленного уровня давления. Если уменьшить давление в шинах колес, то тормозной путь на льду увеличится. Также увеличится и время разгона. Во время движения ухудшается курсовая устойчивость, увеличивается увод в сторону. На перекаченных шинах автомобиль будет как на коньках.
Динамика поперечного движения
Ездовые качества транспортного средства при боковом ветре
Сильный боковой ветер приводит к тому, что транспортное средство, движущееся с высокой скоростью и неблагоприятном расположении центра парусности, может получить отклонение от выбранного направления движения (см. рис. 5). При внезапном порыве бокового ветра, например, при выезде из закрытого участка трассы на открытый, возникают значительные боковые силы, вызывающие измерение угла рысканья, при неблагоприятном расположении центра парусности, при этом вполне возможны ошибочные действия водителя в начальное время возникновения возмущающего действия.
Рис. 5: Транспортное средство под действием бокового ветра; Источник: Bosch
D – центр парусности;
O – точка отсчета;
S – центр масс транспортного средства;
FW – энергия ветра;
FSW – сила ветра;
MZ – момент рысканья;
α – угол приложения
l – длина транспортного средства;
d – расстояние от центра парусности до точки отсчета/
FSW и MZ, приведенные к точке O, являются равнодействующими ветровой силы FSW, прилагаемой к центру парусности D. В аэродинамике приведенные к месту приложения силы и моменты сил обычно указываются в виде безразмерных коэффициентов
При направлении ветра под углом к направлению движения транспортного средства сила ветра FW как компонент аэродинамического сопротивления FL действует как в продольном, так и в поперечном направлении. Распределенную по всему кузову ветровую нагрузку можно заменить на сосредоточенную силу бокового ветра FSW. Сосредоточенная сила бокового ветра приложим к центру парусности (центру давления) D. Положение центра парусности зависит от формы кузова и от угла обдува α.
Как правило, центр парусности стремятся расположить ближе к передней части автомобиля. У транспортных средств понтонной формы (ступенчатая задняя часть кузова) центр парусности абсолютно стабилен, и лежит ближе к середине транспортного средства, чем у автомобилей с обтекаемым кузовом (покатой задней частью кузова), при которых центр парусности может смещаться в зависимости от угла обдува.
Положение центра масс S зависит от состояния загрузки транспортного средства. Чтобы получить общее представление о влиянии ветровой нагрузки (без учета положение осей относительно кузова) выберем точку отсчета (исходную точку «O»), расположив её на продольной оси транспортного на самом краю его передней части.
При заданной величине силы и направлении бокового ветра для различного положения центра парусности кузова присоединим, вдобавок к этой силе, аэродинамический момент рысканья MZ. Сила бокового ветра подкрепляется силой бокового увода пневматических шин. Сила бокового увода пневматических шин наряду с углом бокового увода и нагрузкой на колесо зависит и от конструкции колеса, типоразмера шин, внутреннего давления воздуха в шине и от коэффициента трения поверхности проезжей части.
Транспортное средство сохраняет хорошую курсовую устойчивость при боковом ветре, если центр парусности расположен близко к центру масс транспортного средства. Стремление к уменьшению кривизны траектории происходит у транспортного средства, обладающего избыточной поворачиваемостью, если центр парусности расположен перед центром масс. У транспортного средства, обладающего недостаточной поворачиваемостью, самое благоприятное положение центра парусности немного позади центра масс.
Недостаточная и избыточная поворачиваемость
Силы бокового увода могут возникать между поверхностью проезжей части и пневматической шиной только тогда, когда колесо перемещается наискосок по отношению к плоскости его вращения. Присутствие боковой силы всегда должно сопровождаться появлением угол бокового увода колеса. Транспортное средство обладает недостаточной поворачиваемостью в том случае, если при росе поперечного ускорения угол бокового увода колес передней оси прирастает сильнее, чем угол бокового увода колес задней оси. Противоположное поведение транспортного средства определяется, как избыточная поворачиваемость (см. рис. 6).
Рис. 6: Недостаточная и избыточная поворачиваемость транспортных средств; Источник: Bosch
Слева – транспортное средство с недостаточной поворачиваемостью;
Справа – с недостаточной поворачиваемостью.
av – угол увода колес передней оси;
ah – угол увода задней оси;
β – угол поворота управляемых колес;
γ – угол увода транспортного средства
FS – сила, вызывающая боковой увод;
MG – момент рысканья
Наряду с транспортными средствами, обладающими явно выраженной недостаточной или избыточной поворачиваемостью, имеются и такие, у которых поворачиваемость может меняться в зависимости от величины поперечных ускорений. При высоких значениях поперечного ускорения такие транспортные средства обладают избыточной оборачиваемостью, и наоборот, при малых поперечных ускорениях – недостаточной поворачиваемостью.
Центробежная сила при движении в повороте
Центробежная сила Fcf прилагается к центру масс S транспортного средства (см. рис. 7). Её влияние на поведение транспортного средства зависит от многих факторов, например:
- радиуса поворота;
- скорости движения транспортного средства;
- высоты центра масс транспортного средства;
- массы транспортного средства;
- колеи транспортного средства
- состояния пары трения колесо/проезжая часть (погодные условия, состояние дорожного полотна, состояние шин);
- распределения нагрузки в транспортном средстве.
Рис. 7: Центробежная сила, действующая на транспортное средство; Источник: Bosch
Fcf – центробежная сила;
vF – скорость движения транспортного средства;
FS – боковая сила, действующая на колеса;
rK – радиус поворота;
S – центр масс транспортного средства
Опасность при движении в повороте возникает тогда, когда центробежная сила угрожает превзойти боковые силы, возникающие в колесах, и транспортное средство не сможет удержаться на намеченной траектории движения. На устойчивость движения в повороте может оказать положительное влияние уклон проезжей части в местах закругления дороги, обращенный к центру поворота.
Так как колеса транспортного средства под действием высокой центробежной силы «срываются в скольжение» не одновременно, электронная программа обеспечения устойчивости, именуемая ESP- Electronic Stability Program, в случае нарушения баланса сил своевременно распознает вращение транспортного средства вокруг его вертикальной оси. ESP может стабилизировать движение транспортного средства преднамеренным активным торможением отдельными колесами.
Пояснения к вопросу представлены преподавателем физики АМПЛ-77 Птичниковой Евгенией Алексеевной при консультационном участии Титаренко Дмитрия Николаевича.