Лекция 2.2. Качение эластичного колеса

2.2.1. Качение эластичного ведомого колеса по недеформируемой поверхности

На рисунке 16 представлено колесо, равномерно катящееся по горизонтальной недеформируемой поверхности, т.е. по дороге с твёрдым покрытием. Оно нагружено вертикальной силой и равномерно движется, толкаемое силой со скоростью .

При качении колеса передние элементы шины, вступающие в контакт с дорогой, нагружаются и деформируются, а задние – разгружаются и восстанавливают свою форму, выходя из контакта. Если бы шина обладала идеальной эластичностью, то энергия, затраченная на деформацию в одной части её окружности, полностью возвращалась бы колесу при восстановлении формы шины в другой части окружности. Элементы шины, восстанавливая свою форму, оказывали бы за счёт накопленной энергии давление на дорогу и создавали бы момент, способствующий качению колеса. Однако в действительности из-за трения внутри шины и в площади контакта шины с дорогой часть энергии, затраченной на деформацию шины, обратно не возвращается и переходит в тепло, которое рассеивается в окружающее пространство.

Вследствие этого эпюра нормальных реакций, действующих на катящееся колесо, имеет вид, изображённый на рисунке 16. Такой характер эпюры приводит к тому, что при качении эластичного колеса по недеформируемой поверхности равнодействующая сдвигается вперёд. Чем больше потери в шине, тем больше величина смещения реакции и момента сопротивления качению .

Основное влияние на потери в шине оказывают следующие факторы: масса деформируемых элементов шины, жёсткость покрышки и давление воздуха в шине. При увеличении массы шины, участвующей в деформации, затраты энергии на внутреннее трение в шине возрастает. Аналогичное влияние оказывает повышение жёсткости покрышки. Снижение давления воздуха в шине увеличивает её деформацию и замедляет восстановление формы, поэтому на дорогах с твёрдым покрытием, слишком низкое давление воздуха в шине увеличивает сопротивление качению колеса. Также как и для колеса с жёстким ободом условия равновесия ведомого эластичного колеса, катящегося по недеформированной поверхности, будут такие:

; ;

; ;

,

где - момент сопротивления качению ведомого эластичного колеса; - коэффициент сопротивления качению ведомого эластичного колеса.

2.2.2. Качение эластичного колеса по деформируемой поверхности

При качении эластичного колеса по деформируемой поверхности имеют место и деформация почвы (грунта), и деформация шины.

Затраты мощности на деформацию грунта по сравнению с затратами на деформацию шины более значительные в общем балансе потерь на качение колеса. Как показывают исследования затраты мощности на деформацию шины составляют до 10% от общей мощности, затрачиваемой на качение эластичного колеса по деформируемой поверхности.

Величина опорной поверхности колеса в значительной степени зависит от давления воздуха в шине: чем меньше давление, тем больше опорная поверхность, а, следовательно, меньше глубина колеи.

Однако снижение давления воздуха в шине имеет и ряд отрицательных черт. При снижении давления в направляющих колёсах несколько увеличивает податливость шины в боковом направлении, что ухудшает управляемость машины. Поэтому в направляющих колёсах применяют повышенное давление воздуха в шине по сравнению с ведущими колёсами. В ряде случаев снижение давления ограничивается допустимой величиной нормальной деформации шины, поскольку её отношение к высоте профиля шины определяет срок службы шины. Чем ниже применяемое давление воздуха, тем больше, при прочих равных условиях, радиальная деформация шины и тем меньше допускаемая для них грузоподъёмность.

Дорожные условия эксплуатации тракторов и автомобилей существенно различаются. Тракторы значительную часть времени работают на поле с взрыхлённой почвой, подготовленной под посев или стерне, а автомобили перемещаются по дорогам с твёрдым покрытием или укатанным просёлочным. Руководствуясь стремлением снизить значение коэффициента сопротивления качению, на тракторах применяют шины низкого давления, а на дорожных автомобилях – высокого давления.

2.2.3. Энергетический баланс ведущего колеса с пневматической шиной. Потери, связанные с качением колеса. Потери на буксование. КПД ведущего колеса с пневматической шиной.

Тяговый и энергетический баланс ведущего колеса рассмотрим с теми же допущениями, которые были приняты при изучении тягового баланса ведомого колеса: колесо катится равномерно по горизонтальному участку дороги; в ступице отсутствует момент трения; сопротивление воздуха равно нулю.

Используя схему сил и моментов, действующих на ведущее колесо, составим уравнения равновесия этих сил и моментов:

; ; .

Имея в виду, что выразим величину из уравнения моментов: , которая представляет собой реакцию почвы на касательную силу тяги , определяемую в общем случае как отношение момента к радиусу колеса .

Истинная величина поступательной скорости ведущего колеса из-за буксования всегда меньше теоретической и действительный (кинематический) радиус колеса меньше теоретического радиуса колеса . Действительная скорость будет определяться как , а теоретическая скорость определяется по формуле .

В результате потерь на качение и буксование ведущего колеса мощность, подведённая к ведущему колесу, всегда больше мощности, передаваемой остову машины для совершения полезной работы. Отношение мощности, передаваемой остову машины к мощности, подводимой к ведущему колесу, называется коэффициентом полезного действия ведущего колеса . Таким образом:

, или подставляя значение , получим

.

Отношение можно рассматривать как коэффициент полезного действия, учитывающий потери на качение ведущего колеса , а отношение - как коэффициент полезного действия, учитывающий потери на буксование колеса , тогда .