Co się dzieje na styku koła z podłożem- cz. 2

Z poprzedniego artykułu wiemy, że do powstania siły napędowej lub hamowania na styku opony z nawierzchnią drogi, konieczny jest tzw. poślizg wzdłużny koła. A co ze skręcaniem lub jazdą samochodu po łuku?

Autor Stefan Myszkowski

19/12/2024

#koło #poslizg #tarcie #układ zawieszenia

Siła boczna

Siła boczna F_B (rys. 1) jest niezbędna do zmiany kierunku ruchu samochodu oraz do utrzymania samochodu w jeździe po łuku. Jest prostopadła do płaszczyzny koła. Jej wartość obliczamy z wzoru (1):

w którym:

F_NK – siła nacisku koła na nawierzchnię drogi;

μ_B – współczynnik tarcia bocznego opony o nawierzchnię drogi.

Wartość siły F_NK nie jest stała – zmienia się podczas ruchu pojazdu, a wartość współczynnika tarcia bocznego opony m_B zależy od:

rodzaju i stanu nawierzchni drogi (np. sucha, mokra), z którą współpracuje opona;
kąta znoszenia bocznego koła – o nim w następnym punkcie;
konstrukcji opony i jej rozmiaru.

Kąt znoszenia bocznego koła

Aby na styku opony z nawierzchnią drogi wystąpiło tarcie, a w następstwie siła boczna F_B (ilustracja 1), konieczne jest wystąpienie tzw. znoszenia bocznego koła. Jego miarą jest kąt znoszenia bocznego koła α – patrz ilustracja 2.

Można również powiedzieć, że tor ruchu koła jest wypadkową dwóch ruchów: w płaszczyźnie symetrii koła i w kierunku prostopadłym do tej płaszczyzny.

Ilustracja 1. Do powstania siły bocznej FB pomiędzy oponą a nawierzchnią drogi konieczny jest docisk koła do nawierzchni drogi siłą FNK.

Ilustracja 2. Kąt znoszenia bocznego koła α jest zawarty pomiędzy płaszczyzną symetrii koła a kierunkiem ruchu koła. Kierunek ruchu koła jest styczny do toru ruchu koła. Siła boczna FB jest prostopadła do płaszczyzny koła.

Zależność współczynnika tarcia bocznego opony od kąta znoszenia bocznego koła

Przedstawia ją ilustracja 3. Wykres jest przedstawiony w skali względnej. Wartość maksymalna współczynnika tarcia µ_BMAX jest możliwa do uzyskania pomiędzy oponą a betonową i suchą nawierzchnią drogi. Dla innych nawierzchni dróg kształt linii wykresu jest podobny, ale wartości współczynników tarcia mają niższe wartości.

Zależność współczynnika tarcia bocznego opony μB od kąta znoszenia bocznego koła alfa — Ilustracja 3. Zależność współczynnika tarcia bocznego opony μB od kąta znoszenia bocznego koła α, dla betonowej i suchej nawierzchni drogi. Jeśli koło porusza się na wprost, to kąt znoszenia bocznego α ma wartość 0. Współczynnik tarcia bocznego opony μB ma wówczas też wartość 0 (nie ma siły bocznej). Przy określonej wartości kąta znoszenia bocznego α(µBMAX) wartość współczynnika tarcia bocznego opony osiąga wartość maksymalną µBMAX. Dla wartości kąta bocznego α większych od α(µBMAX) wartości współczynnika tarcia bocznego opony μB mają wartości niższe od maksymalnych.

Co się dzieje na styku koła z podłożem- cz. 1

Ruch samochodu po łuku

Na środek ciężkości SC samochodu poruszającego się po łuku (ilustracja 4) działa przyspieszenie dośrodkowe a_D. Powoduje ono zakrzywienie toru ruchu samochodu. Reakcją na występowanie przyspieszenia dośrodkowego a_D, jest działanie na samochód siły odśrodkowej F_OS. Jest ona zwrócona przeciwnie do przyspieszenia dośrodkowego a_D. Siłę odśrodkową F_OS można rozłożyć na składowe – od F_OS1 do F_OS4. Każda w nich działa na jedno z kół samochodu (ilustracja 4).

Ilustracja 4. Samochód poruszający się po torze ruchu (łuku) zamierzonym przez kierowcę. Oznaczenia na rysunku: SC – środek ciężkości samochodu; aD – przyspieszenie dośrodkowe; FOS – siła odśrodkowa działająca na samochód; FOS1, FOS2, FOS3 i FOS4 – składowe siły odśrodkowej FOS (każda z nich jest przyporządkowana do jednego z kół samochodu); FB1, FB2, FB3 i FB4 – siły boczne, powstające na styku opon z nawierzchnią drogi.

Aby samochód poruszał się po torze ruchu (łuku) zamierzonym przez kierowcę każda z odśrodkowych sił składowych – od F_OS1 do F_OS4, musi być równoważona przez siłę boczną – od F_B1 do F_B4, tak jak pokazują to ilustracje. 4 i 5.

Wartość siły bocznej jest zależna od kąta znoszenia bocznego

Ilustracja 5. Aby samochód poruszał się po torze ruchu zamierzonym przez kierowcę (rys. 4), składowa siły odśrodkowej FO działająca na koło musi być równoważona przez siłę boczną działającą na styku opony z nawierzchnią drogi. Wartość siły bocznej jest zależna od kąta znoszenia bocznego α i od siły FNK nacisku koła do nawierzchni drogi.

Siły działające na koło pojazdu — Ilustracja 6. Trzy siły: FO – składowa siły odśrodkowej działająca na koło pojazdu, FNK – siła nacisku koła do nawierzchni drogi; FB – siła boczna, powodują odkształcenie opony.

Siły działające na każde z kół odkształcają oponę – ilustracja. 6.

Jeśli wzrośnie wartość siły odśrodkowej F_OS w następstwie:

zwiększenia prędkości ruchu po łuku;
zmniejszenia promienia łuku;

to jej zrównoważenie można uzyskać zwiększając kąt uślizgu bocznego koła, ale pod pewnym warunkiem. Jest to przedstawione na ilustracja 7.

Siły działające na oponę w zakręcie — Ilustracja 7. Rys. 7. Jeśli siła FNK docisku koła do nawierzchni drogi (patrz ilustracja 1) ma stałą wartość lub zmienia się nieznacznie, ale wzrasta wartość składowej siły odśrodkowej działającej na koło pojazdu – od FO1 do FO3 (rys. od a do c), to dla zapewnienia ruchu samochodu po zamierzonym przez kierowcę torze ruchu konieczne jest zwiększenie wartości siły bocznej od FB1 do FB3. Wzrost wartości siły bocznej można uzyskać przez wzrost wartości kąta znoszenia bocznego koła – od α1 do wartości α3, ale pod warunkiem, że wzrost wartości kąta znoszenia bocznego α powoduje zwiększenie wartości współczynnika tarcia bocznego opony µB (patrz ilustracja 3). Ten warunek jest spełniony tylko wówczas, gdy kąt znoszenia bocznego α jest z zakresie od 0 do α(µBMAX).

Podobnie można przeciwdziałać nagłemu obniżeniu wartości współczynnika przyczepności bocznej, ale nie jest to manewr dla kierowców poruszających się w ruchu drogowym (w sporcie jest on wykorzystywany). Omówię go w jednym z kolejnych artykułów.

Zapraszamy do części 3 artykułu opisującego zagadnienie przyczepności podczas hamowania i zmiany kierunku jazdy: