Угол увода

Когда катящаяся пневматическая шина подвергается воздействию боковой силы, она будет смещаться в сторону. Между направлением движения шины и направлением движения будет создан угол. Этот угол называется углом увода, скольжения (slip angle). Отвечающие за это механизмы могут быть оценены при рассмотрении упрощённой иллюстрации поведения шины, как показано на Рисунке 10.10.

Рис. 10.10. Деформация катящейся шины при воздействии боковой силы.

Так как шина движется и элементы протектора вступают в контакт с дорогой, они не отклонены от своего нормального положения и, следовательно, не могут испытывать боковую силу. Но, так как шина движется дальше под углом к направлению движения, элементы протектора остаются в положении их первоначального контакта с дорогой и поэтому отклоняются в сторону по отношению к шине. Из-за этого процесса накапливается боковая сила, так как элемент движется назад в пятне контакта до точки, где боковая сила, действующая на элемент, преодолевает существующее трение и происходит скольжение. Таким образом, профиль боковой силы, развиваемой внутри пятна контакта, имеет вид, показанный на Рисунке 10.10.

Объединение сил в пятне контакта даёт результирующую боковую силу с точкой действия в центре тяжести. Увеличение асимметрии этой силы в пятне контакта приводит к тому, что результирующая сила будет располагаться ближе к задней части пятна контакта на расстоянии, известном как снос боковой реакции (пневматические след, pneumatic trail). По конвенции SAE считается, что боковая сила действует в центре контакта шины. В этой позиции чистая равнодействующая является боковой силой, Fy, и выравнивающим моментом, Mz. Величина выравнивающего момента равна боковой силе, умноженной на снос боковой реакции.

Этот механизм не является мгновенным явлением, а отстаёт от реального изменения угла увода из-за необходимости отклонения бортовых стенок шины в поперечном направлении [9]. Это отставание тесно связано с вращением шины, и, чтобы эффективно достичь стационарного состояния действия силы, занимает, как правило, от половины до одного полного оборота шина. Это явление наблюдается в условиях испытаний на низкой скорости, когда угол поворота шины изменяется с заданным шагом. Ответная боковая сила аналогична показанной на Рисунке 10.11. При изменении угла поворота, для бокового отклонения и чтобы сила выросла, шина должна сделать пол-оборота или больше. Это расстояние часто упоминается как "период релаксации" ("relaxation length"). Время отставания в развитии боковой силы обязательно зависит от скорости вращения шины. На шоссе при скорости, соответствующей 10 оборотам в секунду шины, временная задержка составит всего около 0.05 (1/20) секунды, что незаметно для многих автолюбителей. Однако, этот эффект может быть заметен для опытных водителей в виде отставания или медлительности в отклике при повороте.

Рис. 10.11. Изменение боковой силы с углом поворота шины.

Эффект релаксации играет важную роль в потере боковой силы, когда шина работает на неровной поверхности дороги и испытывает изменения в своей вертикальной нагрузке. Когда нагрузка уменьшается, скольжение происходит по всей длине пятна контакта и бортовые стенки шины выпрямляются. Шина должна прокатится, пройдя период релаксации, чтобы снова создать боковую силу. Как следствие, на неровной дороге у шин наблюдаются возможность иметь более низкую боковую силу. Для достижения наилучшей характеристики сцепления с дорогой подвеска должна быть разработана так, чтобы минимизировать изменения нагрузки на шину в тяжёлых дорожных условиях.

Чаще всего поведение боковой силы катящихся шин характеризуется только в стационарном состоянии (при постоянной нагрузке и угле увода). Экспериментальные измерения неизменно демонстрируют характеристику по отношению к углу увода, подобную показанной на Рисунке 10.12. Когда угол увода равен нулю (шина повёрнута в направлении своего движения), боковая сила равна нулю. Сначала при угле увода от 5 до 10 градусов боковая сила растёт быстро и линейно, так как вступают в силу механизмы, показанные на предыдущих графиках. В диапазоне от 15 до 20 градусов боковая сила достигает максимума (численно равному μp * Fz) и начинает уменьшаться по мере роста области скольжения в зоне контакта. При больших углах она приближается к поведению с заблокированными колёсами, которые имеют боковую силу, равную синусной составляющей результирующего угла коэффициента трения скольжения, μs, умноженной на вертикальную нагрузку, Fz.

Рис. 10.12. Харктеристики боковой силы шины.

Первостепенное значение для поворота и стабильности поведения автомобиля имеет характеристика на начальном наклоне кривой боковой кривой. Наклон этой кривой, измеренный при нулевом угле увода известен как "жёсткость при движении в повороте" ("cornering stiffness"), обычно обозначаемый символом Cα.

Следует отметить, что по конвенции SAE положительный угол увода создаёт на шине отрицательную силу (влево), подразумевая, что Cα должна быть отрицательной. По этой причине углы увода на рисунке обозначены отрицательными углами. Для того, чтобы обойти эту проблему, SAE определяет жёсткость при движении в повороте как отрицательный наклон, так что Cα становится положительной величиной. В этом тексте используется соглашение о положительных значениях Cα.

Свойства шины на поворотах как функция от нагрузки и угла увода часто изображается в виде плоского графика, как показано на Рисунке 10.13.

Рис. 10.10. Плоский график зависимости боковой силы от угла увода для диагональной  шины.

Вертикальная ось является шкалой боковой силы. Горизонтальная ось - шкала угла увода и вертикальной силы. Обратите внимание, что и угол увода, и вертикальная сила представлены отрицательными числами - отрицательный угол увода даёт положительную боковую силу, а отрицательная вертикальная сила является положительной вертикальной нагрузкой. Нагрузка может быть показана как положительная, если она промаркирована как "вертикальная нагрузка" ("vertical load"). Плоский график обеспечивает удобный формат для отображения свойств шин.

Жёсткость при движении в повороте зависит от многих переменных. Существенное значение имеют размер шины и тип (радиальная или диагональная конструкция), число слоёв, углы кордовых нитей, ширина колеса и рисунок протектора. Для конкретной шины основными переменными являются нагрузка и внутреннее давление.