Эластичное ведомое колесо
Качение эластичного ведомого колеса по недеформируемой поверхности. Под эластичным колесом в дальнейшем будем понимать колесо, оборудованное шиной. Допустим, что эластичное колесо равномерно перемещается по горизонтальной недеформруемой поверхности, т. е. по дороге с твердым покрытием Оно нагружено вертикальной силой и равномерно движется на горизонтальном участке под действием толкающей силы . Направление движения на рисунке показано стрелкой.
При качении колеса передние элементы шины, вступающие в контакт с дорогой, нагружаются и деформируются, а задние — разгружаются и восстанавливают форму, выходя из контакта. Если бы шина обладала идеальной эластичностью, энергия, затраченная на деформацию в одной части ее окружности, полностью возвращалась бы колесу при восстановлении формы шины в другой части окружности. Элементы шины, восстанавливая свою форму, оказывали бы за счет накопленной энергии давление на дорогу и создавали бы момент, способствующий качению колеса. Однако в действительности ввиду трения внутри шины и площади контакта шины с дорогой часть энергии, затраченной на деформацию шины, обратно не возвращается и переходит в теплоту, которая рассеивается в окружающем пространстве. Вследствие этого эпюра нормальных реакций, действующих на катящееся колесо, имеет вид. В передней половине площади контакта шины с дорогой нормальные реакции больше, чем в задней. Такой характер эпюры приводит к тому, что при качении эластичной шины по недеформирующейся поверхности равнодействующая нормальных реакций сдвигается вперед от вертикали, проходящей через ось колеса, как это было установлено выше по отношению к жесткому колесу, перемещающемуся по деформирующейся почве. Чем больше потери в шине, тем больше смещение реакции и момент сопротивления качению.
Вращающий момент, необходимый для преодоления сопротивления качению, создается парой сил, образуемой силой и горизонтальной реакцией дороги В рассматриваемом случае реакция представляет собой в основном силу трения между колесом и дорогой и внутри шины. Основное влияние на потери в шине оказывают следующие факторы: масса деформируемых элементов шины, жесткость покрышки и давление воздуха в шине. При увеличении массы затраты энергии на внутреннее трение в шине возрастают. Аналогичное влияние оказывает повышение жесткости покрышки. Снижение давления воздуха увеличивает деформацию шины и замедляет восстановление ее формы, поэтому на дорогах с твердым покрытием слишком низкое давление воздуха в шинах увеличивает сопротивление качению.
Нормальную деформацию шины подсчитывают по формуле Хейдекеля. Если подставить в формулу значение h из формулы Хейдекеля и произвести некоторые упрощения, то получим следующее выражение для определения сопротивления качению эластичного колеса по недеформируемой поверхности: Таким образом, сопротивление качению эластичного колеса по недеформируемой поверхности пропорционально нормальной нагрузке в кубе и обратно пропорционально номинальному радиусу в кубе, квадрату внутреннего давления и радиусу сечения шины.
Качение эластичного ведомого колеса по деформируемой по-верхности. При качении эластичного колеса по грунту имеет место деформация грунта и шины. Затраты мощности на деформацию грунта по сравнению с затратами на деформацию шины значительнее в общем балансе потерь на качение колеса. Как показывают исследования, затраты мощности на деформацию шины составляют не более 5—6 % общей мощности, затрачиваемой на качение эластичного колеса по грунту.
Вследствие деформации шины и грунта эластичное колесо образует большую опорную поверхность, чем жесткое колесо такого же размера. Следовательно, нормальная нагрузка распределяется на большую площадь, и эластичное колесо образует меньшую колею, чем жесткое. Значение опорной поверхности колеса в основном зависит от давления воздуха в шине: чем меньше давление, тем больше опорная поверхность.