Начнем с анализа того, как ведет себя пятно контакта, когда, шина катится по дороге.
Для начала представим, что по идеально гладкой плоскости без ускорения (с постоянной скоростью) перекатывается жесткий цилиндр. Если мы проследим путь одной точки, расположенной на стороне цилиндра, непосредственно катящейся по поверхности, мы заметим, что в момент непосредственного контакта точки и поверхности, между ними нет взаимного перемещения. Это при постоянной скорости движения. Сама точка относительно поверхности описывает ровную циклоиду.
Само собой, когда мы переходим от жесткого цилиндра к шине, появляются некоторые сложности. При постоянной скорости взаимного перемещения пятна контакта и поверхности нет на макроуровне. На микроуровне все иначе. Части протектора, приходящие в пятно контакта, постоянно, какой бы жесткой ни была шина, несколько «расплющиваются», что приводит к микроскопическим движениям между пятном контакта и поверхностью. Но, повторимся, эти движения происходят на микроуровне. То есть, в школьных задачах они в условии задачи не учитывались бы.
Пятно контакта начинает перемещаться относительно поверхности только в том случае, когда автомобиль начинает ускоряться (в любом направлении параллельном дороге). И тут нужно подчеркнуть, что пятно контакта не скользит (skid), а «уводится» (slip, в дальнейшем будем применять именно «увод», чтобы избежать путаницы относительно оригинала). По существу, силы, возникающие при «уводе» (slip) пятна контакта, позволяют шине избежать скольжения (skid).
Дорожные неровности.
Когда появляется «увод» пятна контакта, вступают в дело два основных (открытых на данный момент) процесса. Во-первых, это деформации, связанные неровностью поверхности, величина которой варьируется от сантиметра до микрона. Деформации происходят из-за того, что неровности механически врезаются внутрь протектора. Впрочем, податливость резиновой смеси способствует тому, что протектор «адаптируется» и буквально обволакивает эти неровности. Но, опять-таки, не все так просто. Из-за явления гистерезиса микроскопическая вмятина, отпечаток микроскопической неровности, не исчезает сразу, а переносится вместе с пятном контакта, попутно деформируясь.
Второй механизм – химическая адгезия. Он проявляется на микроуровне (микроны), но, как оказалось, значительно усиливается с ростом «увода» (slip). Здесь в дело вступают молекулярные взаимосвязи между протектором и асфальтом. Эти взаимосвязи постоянно появляются и разрываются, пока колесо катится по дороге. Установлено, что в результате трения на молекулярном уровне энергия, требуемая для разрыва взаимосвязи резина-асфальт, повышается. Возрастает эта энергия и при высокой температуре или скорости «увода».
При рассмотрении характеристик дорожного полотна выделяют два основных типа неровностей: макронеровности (100 микрон – 10 миллиметров) и микронеровности (1 – 100 микрон).
При высоком уровне неровностей площадь пятна контакта может существенно сокращаться, что, при неизменной нагрузке, ведет к значительному росту локального давления между малыми областями протектором и дорогой.
Чувствительность шины к нагрузке может быть наглядно объяснена на примере. Податливость резины позволяет протектору «заполнять» выемки в неровностях дорожного полотна. Однако этот процесс конечен, и чем сильнее давление, тем менее эффективным становится его дальнейшее наращивание, так как места для «заполнения» остается все меньше. Отсюда и следует нелинейная зависимость чувствительности шины к вертикальной нагрузке.
Силы сцепления в пятне контакта
Сцепление – слишком обширное понятие, поэтому для удобства в данный момент мы будем говорить лишь о силах, действующих в плоскости пятна контакта.
Шина всегда передает определенные силы дороге, так как для поддержания движения нужно компенсировать хотя бы силу сопротивления качения.
Дополнительные силы возникают в пятне контакта, когда автомобиль выполняет маневры: разгоняется, тормозит или поворачивает. В большинстве случаев в пятне контакта передается результирующая продольной и поперечной сил.
При постоянном движении без ускорения пятно контакта остается неподвижным относительно дороги (в каждое отдельное мгновение). Поэтому мы можем взять одно такое мгновение и рассмотреть, что происходит в пятне контакта. Получится, что плотный кусок резины придавлен сверху к дороге силой, равной вертикальной нагрузке.
Итак, мы «остановили время» и рассматриваем участок шины, непосредственно контактирующий к дорогой. Причем, саму шину заменили на небольшой кусок резины, сверху придавленный стальной пластиной, которая заменяет нам вертикальную нагрузку (Fz). Шина будет деформироваться – становиться ниже и шире.
Если мы приложим горизонтальную силу F к металлической пластине, которая не может двигаться относительно резины, то сама резина начнет деформироваться. Сначала это будет происходить без смещения относительно дороги. Это будет сдвиговая деформация (shear). Получается, резина не двигается относительно поверхности, но внутри и, что важнее, в месте контакта с дорогой уже происходят микроскопические движения.
Движения на микро-уровне в пятне контакта определяют то, как создается сила Fx, противостоящая приложенной нами силе F и позволяющая резине оставаться неподвижной относительно поверхности.
Если мы будем увеличивать силу F, в какой-то момент резина начнет двигаться относительно поверхности, появится скольжение (skid). При этом значение Fx останется прежним.
Максимальная сила F, при которой еще не наступило скольжение, называется Кулоновской силой трения и напрямую зависит от приложенной вертикальной нагрузки через коэффициент трения µ.
Fx = µ * Fz
На этом, собственно, сходства со школьным курсом заканчиваются и начинается самое интересное, так как по отношению к шине такой закон слишком примитивен и он не может быть применен для поиска сколько-нибудь точных величин. Впрочем, приведенный опыт позволяет представить себе, как в макро-масштабе ведет себя шина при нагружении и действии горизонтальной силы.
