Сопротивление качению

Сопротивление качению зависит от массы автомобиля и коэффициента трения качения. Масса автомобиля при этом оказывает первостепенное влияние на величину сопротивления качению. Большая масса проявляется неблагоприятно в любом случае, если мы стремимся к экономии энергии, то уменьшение массы автомобиля является одной из первостепенных задач.

Масса проявляется в виде силы, прижимающей автомобиль к земле. Передвижению препятствует сила, которая зависит от коэффициента трения качения между автомобилем и поверхностью дороги. Здесь имеется возможность экономить определенную энергию. Сила сопротивления качению автомобиля P_f рассчитывается по формуле

где Q – нормальная нагрузка; f – коэффициент трения качения.

Коэффициент сопротивления качению

Ниже приведены значения коэффициента f , которые действительны для качения шины колеса по поверхности дороги с различным покрытием и для других движителей:

В приближенных расчетах можно допускать, что коэффициент сопротивления качению с изменением скорости автомобиля не меняется. Наименьшее сопротивление качению имеет стальное колесо на рельсе, наибольшее – гусеничный движитель на рыхлом снегу. Чем меньше деформация поверхности, тем меньше сопротивление качению.

Сопротивление качению на неровной дороге

При движении по неровной дороге сопротивление качению зависит от жесткости амортизирующего элемента.

Если на поверхности дороги возникает препятствие высотой h (см. рис. слева) и автомобиль наезжает на него с малой скоростью, то он может остановиться. На рисунке масса автомобиля представлена грузом М , прикрепленным к оси колеса через пружину F . Предположим, что масса М жестко соединена с осью. В этом случае для преодоления препятствия необходима такая вертикальная сила V , которая способна поднять массу М на высоту h . Эта сила может обеспечиваться, например, кинетической энергией автомобиля при движении. Чтобы автомобиль мог продолжать движение, необходимо, чтобы его кинетическая энергия была большей, чем требуется для поднятия автомобиля на высоту h . Необходимая величина вертикальной силы зависит от угла наезда α и рассчитывается по формуле

Время подъема определяется скоростью автомобиля, а форма препятствия определяет процесс изменения скорости и ускорения. На вершине твердого препятствия скорость массы М не будет равна нулю, и колесо отскочит от препятствия. Однако гравитационная сила остановит массу М и вернет ее на землю путем свободного падения. Энергия горизонтальной силы Н будет затрачена на перемещение колеса на высоту препятствия, но при отскоке колеса эта сила уже не действует и, следовательно, не влияет на увеличение сопротивления качению автомобиля [2].

Если масса М опирается на пружину F и колесо снабжено упругой шиной, то исчезает необходимость подъема колеса и массы М на высоту препятствия h . При благоприятном отношении неподрессоренной массы колеса и подвески к подрессоренной массе М колесо не отскочит от препятствия, и часть энергии, аккумулированная в сжатой пружине и шине, после преодоления препятствия вернется и передвинет автомобиль вперед. Однако значительная часть энергии за счет внутреннего трения в амортизирующих элементах потеряется, превратившись в теплоту. Достаточно мягкая подвеска колес может уменьшить потери энергии при переезде через неровность.

Сопротивление качению на деформируемом покрытии

На дороге с хорошим покрытием действует правило: жесткое колесо на твердом, малодеформируемом покрытии обеспечивает наименьшие потери, обусловленные сопротивлением качению. Если неровности имеют большой размер, то увеличение жесткости колеса и амортизирующих элементов вызывает рост сопротивления качению. В этом случае выгодным является использование мягкой шины больших размеров и нежестких амортизаторов. Шина больших размеров с мягкой боковой поверхностью и низким давлением сама амортизирует мелкие неровности, так что и неподрессоренная масса будет испытывать колебания весьма малой амплитуды, которые хорошо гасятся мягкой подвеской. Небольшое давление в шине увеличивает площадь ее контакта с поверхностью дороги, что уменьшает глубину погружения колеса в мягкое покрытие и соответственно образует колею меньшей глубины.

Коэффициент трения качения жёсткого колеса на деформируемом покрытии имеет иной характер, чем на твердой поверхности, и определяется по формуле

где h – глубина погружения колеса в покрытие, мм; D – диаметр колеса, мм.

В этом случае давление воздуха в шине может влиять противоположно тому, как это имеет место на твердом покрытии, поскольку из-за малого погружения колеса в покрытие при низком давлении в шине коэффициент сопротивления качению будет меньше, чем при высоком. После того как автомобиль с такими шинами выйдет с бездорожья на шоссе, в них необходимо увеличить давление, иначе боковые поверхности шин при большом прогибе будут сильно разогреваться. На некоторых автомобилях используется специальное оборудование, позволяющее изменять давление в шинах, не прекращая движения.

Читайте также

Горячие электроны в квантовых вентильных фотоэлементах удваивают КПД и делают их вполне применимыми для использования в транспорте.

Статья подробно описывает конструкцию камер сгорания бензиновых двигателей для сжигания бедных топливовоздушных смесей.

Сноски

1. ↺ Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль/Пер. с чешск. В. Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. — М.: Машиностроение, 1987. — 320 с.: ил.//Стр. 16 — 18 (книга есть в библиотеке сайта). – Прим. icarbio.ru
2. ↺ При последующем контакте колеса с дорогой энергия сопротивления качению проявится в виде части энергии, поглощенной шиной при ударе колеса о поверхность дороги. – Прим. ред. А.Р. Бенедиктова

Комментарии

Спасибо!Ваша информация очень помогла.

коэф трения качения — в какой размерности? мм, см .

Факторы, влияющие на сопротивление качению колес

При снижении сопротивления качению колес на 6 % расход топлива уменьшается примерно на 1 %.

На сопротивление качению колес автомобиля влияют следу­ющие факторы:

время движения (в течение первых 30 мин движения сопротив­ление качению колес уменьшается примерно на 20 %);

температура окружающей среды (при понижении температуры с 30 до О °С сопротивление качению колес возрастает на 40 %);

скорость движения (при росте скорости от 100 до 180 км/ч со­противление качению увеличивается в два раза);

давление воздуха в шинах (при падении давления на 0,4 МПа сопротивление качению колес повышается на 8 %);

состояние шин (у шин с изношенным протектором сопротив­ление качению на 30 % выше, чем у новых);

состояние дорожного покрытия (на неровной опорной поверх­ности сопротивление качению может возрасти более чем на 50 %).

При эксплуатации легкового автомобиля следует уделять осо­бое внимание состоянию шин, своевременной и правильной их замене. Опыт эксплуатации показывает, что на состояние шин от­рицательно влияют: перегрузка автомобиля; неотрегулированность давления воздуха в шинах и углов установки колес; высокая ско­рость движения автомобиля.

При повышении скорости движения с 64 до 112 км/ч пробег шин уменьшается на 40. 45 %. Перегрузка автомобиля на 20 % сни­жает пробег шин на 30 %. При контакте шин со смазкой при высо­кой температуре резина разрушается, особенно если автомобиль перегружен или давление в шинах недостаточное. Повреждение шин возможно также при монтаже их на колеса, использовании цепей противоскольжения, воздействии низкой температуры и т.д.

При снижении давления воздуха в диагональных шинах на 15. 20 % расход топлива повышается на каждые 100 км пробега на 1 . 3 л. Эксплуатация радиальных шин при пониженном (даже на 0,01 МПа от номинального) давлении воздуха недопустима.

Если легковой автомобиль интенсивно эксплуатируется в те­чение всего года, то желательно наличие для него комплекта шин: летних — с дорожным расчлененным рисунком протектора, уни­версальных — для плохих дорожных условий и зимних (или оши­пованных) — для езды по заснеженным и обледенелым дорогам.

Давление воздуха в шинах должно соответствовать рекомендуемому в руководстве по эксплуатации автомобиля. Перед быстрой или дли­тельной ездой по автомагистрали давление в шинах можно увеличить на 0,02 МПа по сравнению с рекомендуемым. При эксплуатации любого автомобиля с прицепом давление в шинах должно соответ­ствовать давлению, рекомендуемому при полной нагрузке.

При эксплуатации автомобиля необходимо помнить, что дав­ление в шинах при средней и максимальной нагрузках должно быть разным.

Что такое сопротивление качению шины?

Сопротивление качению — это совокупность сил, которые воздействуют на шину и препятствуют её свободному движению вперёд. На его преодоление необходима дополнительная энергия, поэтому 5-15% топлива автомобиль расходует лишь на то, чтобы просто катиться вперёд.

Чтобы понять как это работает на практике, представьте: вы разгоняете автомобиль, затем отпускаете педаль газа и просто катитесь вперёд. Спустя какое-то время машина останавливается. На одних шинах это произойдет через 15 метров, на других через 18м, на третьих через 20м. Шины, которые проедут дальше всех, обладают самым низким сопротивлением качению и лучшей топливной экономичностью. Класс экономичности обычно указан на этикетке шины и обозначается латинскими буквами от A до G, где A — лучшая экономичность, G — худшая.

Разберём, что влияет на экономичность шины и производители работают над её улучшением.

От чего зависит сопротивление качению шины

Есть два основных фактора, которые влияют на сопротивление качению покрышки:

• Во время движения боковины и блоки протектора постоянно деформируются и возвращаются в исходное положение. На такие короткие, но регулярные циклы приходится до 90% потери энергии.
• Также на шину также воздействует аэродинамическое сопротивление, которое отнимает ещё от 0 до 15% энергии.

Как производители снижают сопротивление качению

Изменение практически каждого элемента шины имеет потенциал к повышению её топливной экономичности. Вот что делают производители:

• Облегчают массу шины, без ущерба для её прочности.
• Уменьшают высоту протектора, чтобы снизить деформации блоков во время движения. Но при этом важно сохранить устойчивость шины к аквапланированию и её ресурс.
• Оптимизируют боковину, расположение и форму блоков протектора таким образом, чтобы они меньше деформировались при езде.
• Улучшают состав резиновой смеси за счет специальных добавок и соединений, которые снижают нагрев покрышки и её силу трения.
• Оптимизируют рисунок протектора, чтобы ему оказывалось меньшее аэродинамическое сопротивление.

У топливоэкономичных шин худшее сцепление с дорогой?

Есть мнение, что высокая топливная экономичность шины вредит её тормозным качества. Ведь с одной стороны покрышка должна испытывать меньшую силу трения, чтобы легко катиться и потреблять меньше топлива. С другой стороны, сила трения должна быть большой, чтобы у шины было надежное сцепление с асфальтом. Это подтверждают и многие тесты, в которых «зелёные» шины занимают первые места по расходу топлива, но слабо тормозят на асфальте.

Это справедливо лишь в отношении дешевых шин или старых моделей. Ежегодно компании вроде Michelin, Continental, Goodyear и другие премиум-производители вкладывают огромные деньги в разработку новых шин. Современные материалы и технологии моделирования позволяют выпускать максимально сбалансированные покрышки, которые обладают высокой топливной экономичностью и отличными сцепными качествам. Но и являются такие шины самыми дорогими в своём классе.

Сопротивление качению шины — что это и от чего зависит

Мало кто из автомобилистов уделял должное внимание такой характеристике покрышек, как сопротивление качению шины. А зря. Автомобильная резина настолько сложный технический элемент, что от неё зависит не только проходимость и безопасность при вождении, но и экономия топлива. В этом случае, выигрывают и автовладельцы, и природозащитники, так как сокращение выхлопных газов приводит к меньшей степени антропогенного загрязнения окружающей среды.

Что такое сопротивление качению шины

Чтобы коротко и доходчиво объяснить, что такое сопротивление качению колеса, необходимо представить покрышку в пятне контакта с автодорогой. В этом месте, резина расширяется под нагрузкой машины. В совокупности с инерцией движения автомобиля, резина нагревается и растрачивает часть энергии, передаваемой от мотора, это явление и получило название — сопротивление качению шины. Оно измеряется по формуле Pf = Q х f, где «Q» – обычная нагрузка авто, а «f» коэффициент трения качения.

Для каждого дорожного покрытия, коэффициент «f» имеет своё значение, например, для асфальтобетона 0,01, а для щебёночного покрытия 0,025. Всего используется 6 значений «f» для расчёта формулы колёсной технике. Все значения и наименование покрытий, можно найти в соответствующей таблице.

Каким нагрузкам подвержена шина

В движение, автошина подвержена многочисленным нагрузкам и деформациям. Все они влияют на степень сопротивления качения шины. К таким нагрузкам относятся:

• аэродинамика кузова машины;
• инерция автомобиля;
• вес транспортного средства;
• состояние амортизаторов и повестки;
• тип привода авто.

Если автомобиль наезжает на неровность при малой скорости, то он способен остановиться. Чтобы создать кинетическую энергию для преодоления препятствия, необходимо обеспечить машине более высокую скорость, а это дополнительная энергия от ДВС.

От чего зависит сопротивление качению

Степень явления сопротивления качения шины, зависит от множества факторов. Среди самых известных можно выделить такие, как:

• Конструкция колеса. Именно состав каучука и дополнительных материалов, влияет на степень сопротивления качения резины. Например, один и тот же автомобиль с покрышками разной конструкции и мягкости, может обеспечить расхождение до ½ в показателях;
• Коэффициент скорости покрышки. Чтобы обеспечить колесу заявленные характеристики на определённых скоростях, конструкция шин может иметь различные усиления. Все они оказывают влияние на твёрдость изделия, что понижает сопротивление качения;
• Габарит колеса. Большое колесо имеет меньшее сопротивление качению. С каждым дополнительным 1 см радиуса, степень сопротивления снижается на 1%;
• Тип протектора. Чем глубже канавки протектора, тем выше сопротивление. Например, увеличенная глубина на 50%, обеспечивает дополнительные 12% сопротивления. К окончанию ресурса колеса, степень качения ухудшается на 25 %, в соотношении с новой покрышкой;
• Давление в баллонах. Слабо накаченная шина, обеспечивает неравномерное пятно контакта. Увеличивается амплитуда деформаций, что приводит к дополнительному нагреву и как следствие, потери энергии. В совокупности, это увеличивает степень качения колеса.
• Тип дорожного полотна и его температура. Чем ровнее дорога, тем ниже резина подвержена сопротивлению. Чем выше температура окружающей среды и дорожного покрытия, тем меньше степень сопротивления. С каждым 10-градусным шагом в сторону повышения, качение уменьшается на 6 %.

Особенности экошин

В свете продолжающейся борьбы за экологию, многие производители шин примкнули к движению защитников окружающей среды. Это проявилось в разработке «зелёных» покрышек, выпускаемых с 1992 года. Постепенно, характеристики колёс повышаются. Смысл «зелёных» покрышек в том, что «обутый» автомобиль в резину с пониженным сопротивлением качению расходует меньше топлива, примерно на 20 %. Таким образом, в атмосферу попадает меньшее число вредных веществ, содержащихся в выхлопных газах.

Согласно исследованиям, каждые 45 000 пробега на шинах с низким сопротивлением качению, владельцы экономят сумму, равную ¼ от стоимости всего комплекта колёс. Кроме экономии, водители меньше загрязняют воздух, внося личный вклад в экологию, заботясь о своём потомстве. Чтобы информировать покупателя, производитель наносит на боковой профиль резины соответствующие маркировки: Green X или Reduces CO2.