Круг трения

Общее влияние на боковую силу при выполнении торможения показано в области тяги на Рисунке 10.23. Отдельные кривые показывают боковую силу при заданном угле увода. При воздействии тормозного усилия боковая сила постепенно уменьшается за счёт дополнительного скольжения, создаваемого в зоне контакта при торможении.

Рис. 10.23. Зависимость боковой силы от продольной силы при постоянных углах увода.

Этот тип отображения поля тяги шины является основой для концепции "круга трения" (или эллипса трения, friction circle или friction ellipse) [11]. Признавая, что предел трения для шины, независимо от направления, будет зависеть от коэффициента трения, умноженного на нагрузку, становится ясно, что трение может быть использовано для боковой силы, или тормозной силы, или комбинации их обоих, либо в положительном, либо в отрицательном направлении. Но в любом случае не может быть общего вектора двух сил, превышающего предел трения. Таким образом, предел представляет собой круг в плоскости боковых и продольных сил. Часть круга на рисунке представляет собой круг трения для положительного квадранта поля тяги. Предел характеризуется кругом трения для шин, которые имеют в действительности одинаковые пределы для боковых и тормозных сил. Однако, некоторые специализированные шины могут быть оптимизированы для боковой тяги или тормозного сцепления с дорогой, и в этом случае пределом будет не круг, а эллипс.

В последние годы концепция круга трения была использована как средство для оценки водителей гоночных автомобилей, с помощью ведения непрерывной записи боковых и продольных ускорений, поддерживаемых на треке. Для получения максимальной эффективности при прохождении круговой трассы шины должны постоянно работать на предельных режимах либо в повороте, либо при торможении/ускорении. Таким образом, комбинированные боковые и продольные ускорения, измеренные на машине, всегда должны выжимать предельное трение, и наиболее эффективный водитель тот, кто может наиболее точно поддерживать этот оптимум. После построения записи этих двух ускорений в полярных координатах, аналогично Рисунку 10.23, получается визуальная информация о эффективности водителя, если посмотреть на процент времени, проведённого на предельном трении.

Рисунок 10.23 иллюстрирует ещё одно наблюдение, которое часто делается в условиях комбинированной тяги. Обратите внимание, что на промежуточных углах увода вблизи 4 градусов, применение умеренных уровней тормозного усилия на самом деле увеличивает боковую силу, развиваемую при таком угле увода. Это явление показано более точно на графике на Рисунке 10.24, который показывает боковую силу и стабилизирующий момент от тяговых сил в направлениях торможения и движения [12].

Рис. 10.24. Зависимость боковой силы и стабилизирующего крутящего момента от тягового усилия.

Использование в качестве точки отсчёта значений боковой силы свободного качения (при нулевой силе тяги) видно, что при действии тормозной (отрицательной) силы боковая сила увеличивается незначительно, а стабилизирующий момент уменьшается. По сути, наличие тормозного усилия действует как придающее жёсткость конструкции шины (боковинам и/или протектору) по отношению к механизму, который создаёт боковое усилие. Снижение стабилизирующего момента предполагает значительное перераспределение поперечных сил в пятне контакта. Когда тормозное усилие возрастает до максимального значения, боковая сила уменьшается, потому что достигается предел трения. Одновременно с этим уменьшается стабилизирующий момент до точки, где он вблизи тормозного предела может на самом деле стать отрицательным. Отрицательный стабилизирующий момент пытается направить колёса в сторону большего угла увода и может негативно повлиять на стабильность при торможении, в частности, оказывая влияние на систему рулевого управления [13].

При обычном вождении наблюдаются противоположные эффекты (положительного) тягового усилия. Боковая сила уменьшается незначительно, хотя стабилизирующий момент резко возрастает. На уровнях вблизи предела трения и боковая сила, и стабилизирующий момент снижаются. Однако, в отличие от торможения стабилизирующий момент никогда не становится отрицательным вблизи границы движущей силы.

Хотя тип шины (радиальная или диагональная) и внутреннее давление оказывают значительное влияние на жёсткость в поворотах, поведение при комбинированном скольжении качественно похоже на показанное выше. Это поведение нечувствительно к скорости и зависит только от состояния поверхности, которое влияет на пределы трения.