Действующие на колесо автомобиля силы и моменты вызывают со стороны дороги реактивные силы, которые в общем случае расположены в трех взаимно перпендикулярных направлениях и приложены к колесу в месте его контакта с основанием дороги. Эти реактивные силы получили название вертикальной, тангенциальной
и боковой.

Вертикальная сила G, приложенная к оси колеса, и ее реакция Z со стороны дороги расположены в одной вертикальной плоскости, проходящей через ось колеса (рис. 5).

Рис. 5. Действие сил на неподвижное колесо

В случае ведомого колеса (рис. 6) толкающая сила Р от автомобиля через подшипник передается на ось колеса и вызывает со стороны дороги тангенциальную реакцию X, которая приложена к поверхности колеса в зоне его контакта с дорогой и имеет противоположное толкающей силе Р направление. Качение ведомого колеса по опорной поверхности приводит к нарушению симметрии в области контакта колеса и дороги относительно вертикали, проходящей через центр колеса, и вызывает смещение реакции Z относительно этой вертикали вперед по ходу движения колеса на определенную величину А, называемую коэффициентом трения и измеряемую в единицах длины. Вертикальная реакция Z, как и при неподвижном колесе, численно равна нагрузке.

Рис. 6. Силы, действующие на ведомое колесо

Этот момент должен уравновесить суммарное сопротивление РСопр всех противодействующих движению сил (ветра, уклона дороги, трения, инерционных). В результате при контакте колеса с дорогой возникает реакция RХ = РСопр, направленная в сторону движения.

Кроме функции ведомого и ведущего, колесо может выполнять тормозящую функцию. Работу тормозящего колеса можно сравнить с работой ведущего. Разница состоит в том, что тормозной момент, а значит, и тангенциальная реакция дороги имеют противоположное направление и определяются интенсивностью торможения (рис. 7, Б).

Рис. 7. Силы, действующие на колесо: А – ведущее; Б – тормозящее

Коэффициент сцепления между колесом и покрытием дороги в большинстве случаев значительно меньше единицы, и, следовательно, тангенциальная сила, как правило, значительно меньше вертикальной.

Кроме перечисленных сил, колесо часто подвергается воздействию боковых сил и моментов, являющихся следствием действия на шасси автомобиля опрокидывающих поперечных сил, например центробежной силы на повороте или составляющей массы, обусловленной наклоном дороги. На выпуклом или вогнутом профиле дороги, а также при движении по дороге, имеющей неровности, колеса также могут испытывать действие боковых сил (рис. 8), которые при условии их равенства на левых и правых колесах по величине и противоположности по направлению будут гаситься на оси, не передаваясь на сам автомобиль.

Рис. 8. Действие сил на колеса во время движения по неровному основанию

Действие на колесо боковой силы ограничено сцеплением колеса с дорогой. При движении автомобиля по выпуклому или вогнутому профилю дороги или, особенно, по дороге с неровностями боковые силы могут достигать весьма значительной величины.

Таким образом, весь комплекс внешних нагрузок, действующих на колесо со стороны дороги, может быть представлен тремя взаимно перпендикулярными силами: вертикальной реакцией Z, значение которой обусловливается суммарной массой перевозимого груза и автомобиля. Эта нагрузка всегда действует на колесо независимо от того, движется оно или нет, работает в качестве ведомого, ведущего или тормозящего. Значение же этой нагрузки при движении может изменяться в зависимости от ускорения (замедления), продольного и поперечного профиля дороги, ее извилистости, неровностей дорожного полотна и скорости движения; тангенциальной реакцией, расположенной в плоскости колеса (на рис. 8 не показанной) и являющейся следствием приложения к нему внешнего момента (крутящего или тормозного), толкающей силы, аэродинамического сопротивления, силы трения качения. Величина этой реакции достигает наибольшей величины обычно при торможении, однако, как правило, она ограничена коэффициентом сцепления колеса с покрытием дороги, который в большинстве случаев меньше единицы, и, следовательно, даже наибольшее значение тангенциальной реакции, как правило, меньше вертикальной реакции; боковой реакцией Y, которая расположена в плоскости, перпендикулярной плоскости колеса. Подобно тангенциальной эта реакция также ограничена силой сцепления колеса с дорогой, и, следовательно, ее максимальное значение не может быть больше вертикальной силы, за исключением движения по неровной дороге, глубокой колее. В этих условиях боковая реакция может значительно превосходить силу сцепления колеса с дорогой.

Особого интереса заслуживают качение наклоненного колеса и боковой увод шины. При движении автомобиля на повороте профиль эластичной шины деформируется в боковом направлении под действием центробежной силы, направленной перпендикулярно плоскости колеса (рис. 9). Вследствие боковой деформации шины колесо катится не в плоскости I–I, а с некоторым уводом.

Способность шины к боковой деформации оказывает значительное влияние на эксплуатационные свойства автомобиля, особенно на его устойчивость и управляемость. Поэтому параметры, определяющие увод колеса, являются важной характеристикой шины.

Рис. 9. Деформация шин при повороте автомобиля и соответствующее искажение пятна контакта шины с дорогой из-за увода колеса (вид А)

Увод колеса оценивается углом D, который принято называть углом бокового увода. Приложенные к колесу силы вызывают боковую деформацию шины в результате изгиба протектора в боковом направлении. При качении колеса с уводом шина имеет сложную деформацию, которая несимметрична относительно ее вертикальной плоскости симметрии.

Для каждой шины существует определенная максимальная боковая сила и соответствующий ей определенный максимальный угол увода, при котором еще отсутствует большое проскальзывание элементов протектора в боковом направлении. Максимальный такой угол для многих отечественных шин легковых автомобилей 3–5o.

Одним из часто встречающихся случаев качения колеса является движение его с наклоном к дороге. Действительно, на автомобиле колеса могут иметь наклон к дороге из-за применения независимой подвески, наклона дороги и других факторов.

Наклон колеса к дороге существенно влияет на работу шины и траекторию движения. При качении наклонного колеса в плоскости вращения со стороны дороги на него действуют также боковая сила и крутящий момент. Последний стремится повернуть колесо в сторону его наклона. Наклон колеса к дороге приводит к появлению боковой деформации шины, в результате которой центр контакта колеса с дорогой смещается в сторону наклона колеса. У наклонного колеса протектор шины изнашивается быстро и неравномерно, особенно в плечевой зоне со стороны наклона колеса. Таким образом, наклон колеса к дороге значительно уменьшает срок службы шины.

Наклон колеса к дороге изменяет также угол увода. При движении автомобиля на повороте, когда при поперечном наклоне кузова колесо наклоняется в сторону боковой силы, увод колеса увеличивается. Такое явление наблюдается у передних управляемых колес легковых автомобилей, имеющих независимую подвеску. Уменьшение склонности шин к боковому уводу и снижение наклона колеса к дороге положительно сказываются на продлении срока службы шин.