Что такое сопротивление качению шины

1.2 Сила сопротивления качению

Соприкосновение шин с дорогой происходит по площади их контакта. В каждой точке площади контакта на шину действует бесконечно малая сила — элементарная нормальная реакция опорной поверхности. Равнодействующую нормальных сил к опорной плоскости элементарных реакций, приложенных к колесу со стороны опорной поверхности, называют нормальной реакцией опорной поверхности.

У ведомого колеса вся подведенная к нему энергия затрачивается на преодоление сил сопротивления качению, а у ведущего она расходуется как на сопротивление качению, так и на преодоление внешних сил. Ведущее колесо преобразует подведенный к нему крутящий момент в толкающую силу.

Рисунок 1.2 Схема приложения сил, моментов и реакций к эластичному автомобильному колесу при качении по твердой дороге.

Когда колесо с шиной катится по горизонтальной твердой поверхности, элементарные реакции dZ дороги и их равнодействующая Rz расположены вертикально. Можно считать, что на цементобетонных и асфальтобетонных покрытиях сопротивление качению возникает в основном за счет затрат энергии на деформирование шин, так как деформации дороги незначительны. Работа, затраченная на деформирование шины, больше, чем возвращенная в зоне восстановления ее формы, т.е. по мере выхода участка шины из контакта с дорогой часть энергии расходуется на внутреннее трение частиц резины. Поэтому давление в передней части контакта больше, чем в задней (рисунок 1.2), а равнодействующая нормальных реакций будет смещаться относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось колеса, вперед на расстояние а. Это расстояние называют плечом сопротивления качению. Оно характеризует рассеяние энергии при качении колеса. Если колесо будет катиться под действием силы тяги Рк, то, составив уравнение моментов относительно точки А, получим:

,

где rД – динамический радиус колеса. Отсюда

, Н

Отношение называют коэффициентом сопротивления качению f:

.

Произведение fRZ=Pf называют силой сопротивления качению, представляющей условную количественную характеристику сопротивления качению колеса. Моментом сопротивления качению называют произведение

.

Коэффициенты сопротивления качению у ведущих и ведомых колес автомобиля практически можно считать равными, хотя на самом деле при расчетах, связанных с анализом происшествий, они различаются. Если нормальные реакции ведущих и ведомых колес будут равными RZ1=RZ2, то сила сопротивления качению автомобиля составит

, Н (1.3)

где G – сила тяжести автомобиля, в Н.

Мощность, необходимая для преодоления сопротивления качению при движении автомобиля со скоростью Va м/с, будет равна

кВт (1.4)

На менее ровных дорожных покрытиях (щебеночных, гравийных, булыжной мостовой) сопротивление качению возрастает от ударов колес о неровности покрытия. На грунтовых дорогах с мягкой поверхностью и на неуплотненном снеге сила сопротивления качению увеличивается за счет, усилия, затрачиваемого на деформирование грунта или снега при образовании колеи.

Сопротивление качению несколько уменьшается с увеличением размера (и соответственно грузоподъемности) шин. При постоянном внутреннем давлении в шине повышение нормальной нагрузки на колесо приводит к возрастанию силы сопротивления движению. Увеличение нагрузки на 20% сверх максимально допустимой повышает коэффициент сопротивления качению примерно на 4%. В реальных дорожных условиях коэффициент сопротивления качению возрастает с увеличением скорости и при движении по твердой дороге изменяется в широких пределах (в 2 — 3 раза).

При расчетах, связанных с анализом автотранспортных происшествий, можно пользоваться данными таблицы Приложение.2. Для учета же изменения коэффициента сопротивления качению при высоких скоростях движения (до 11—13,9 м/с он практически не изменяется) можно пользоваться эмпирической формулой

(1.5)

или несколько уточнённой

, (1.6)

где f – коэффициент сопротивления качению при движении со скоростью до 11 – 13,9 м/с (таблица П 1.2).

Так, сила и мощность сопротивления качению автомобиля ГАЗ-24 (его масса с пассажирами G =1825 кг) при движении по дороге с асфальтобетонным покрытием, находящимся в отличном состоянии (f=0,015), со скоростью V1 =13,9 м/c(50км/ч) и V2=33,3 м/c(120км/ч,) составляют:

сила сопротивления качению

Н;

мощность сопротивления качению

кВт;

Н;

кВт

При движении по деформирующимся грунтовым дорогам (с образованием колеи) зависимость между силой сопротивления качению и массой колеса более сложная:

, Н

где Н – глубина колеи после прохода колеса, м;

D – диаметр колеса, м;

ξ – коэффициент, меняющийся от 0,6 до 1,0 в зависимости от состояния грунта;

Gк – весовая нагрузка на колесо, кг.

Составляющая массы автомобиля на уклонах дороги равна Ph=G∙cosα (см. рисунок 1.1), поэтому сила сопротивления качению на уклонах составляет:

Уклон дороги i и коэффициент сопротивления качению в совокупности определяют общее дорожное сопротивление. Сила дорожного сопротивления равна:

, Н (1.8)

Алгебраическую сумму f+i=φ называют коэффициентом дорожного сопротивления.

Следовательно, Рφ=Gφ Н и

кВт (1.9)

Сила сопротивления подъему всегда действует одновременно с силой сопротивления качению, поэтому коэффициент φ, учитывающий оба вида сопротивления движению, имеет большое значение в практических расчетах.

2 Особенности эксплуатации автомобильных шин

автомобиль шина колесо покрышка

Потери энергии на качение шин

Пневматическая шина благодаря наличию в ней сжатого воздуха и упругих свойств резины способна поглощать огромное количество энергии. Если шину, накачанную до определенного давления, нагрузить внешней силой, например вертикальной, а затем разгрузить, то можно заметить, что при разгружении не вся энергия возвратится, так как часть ее, расходуемая на механическое трение в материалах шины и трение в контакте, составляет необратимые потери.

При качении колеса происходит потеря энергии на ее деформацию. Так как энергия, возвращающаяся при разгрузке шины, меньше энергии, затраченной на ее деформирование, то для поддержания равномерного качения колеса необходимо постоянно пополнять потери энергии извне, что и осуществляется приложением к оси колеса либо толкающей силы, либо крутящего момента.

Кроме сопротивлений, возникающих в результате потерь, связанных с деформацией шины, движущееся колесо испытывает сопротивление, обусловленное трением в подшипниках, а также сопротивление воздуха. Эти сопротивления, хотя и незначительны, однако тоже принадлежат к категории необратимых потерь. Если колесо движется по грунтовой дороге, то, кроме потерь, перечисленных выше, будут и потери на пластическую деформацию грунта (механическое трение между отдельными его частицами).

Потери на качение оценивают также силой сопротивления качению или мощностью потерь на него. Сопротивление качению колеса зависит от многих факторов. В значительной степени влияние на него оказывают конструкция и материалы шины, скорость движения, внешние нагрузки и дорожные условия. Потери на сопротивление качению ведомого колеса при движении по дорогам с твердым покрытием состоят из потерь на разного рода трения в шине. На эти потери затрачивается значительная доля мощности двигателя. Энергия, поглощаемая шиной, приводит к значительному повышению ее температуры.

Рис. 11 – Зависимость силы сопротивления качению Рк шины 6,45– J3R модели М-130А с металлокордным брекером от скорости v.

Сопротивление качению в сильной степени зависит от скорости качения. В реальных условиях эксплуатации сопротивление качению может возрастать более чем в 2 раза. На рис. 11 показаны результаты испытания, когда шина имела нормальную нагрузку 375 кгс и соответствующее ей давление воздуха 1,9 кг/ см2. Испытания проводились на барабанном стенде при установившемся тепловом состоянии шины. На рис. 11 видны три явно выраженные зоны нарастания силы сопротивления качению. При очень малых скоростях движения (в начале зоны I) потери мощности на качение минимальны. Эти потери обусловлены сжатием резины в зоне контакта шины с дорогой.

В зоне II с увеличением скорости происходит нарастание потерь, и все больше начинают сказываться силы инерции движения колеса. Начиная с определенного значения скорости, деформация элементов шины значительно возрастает, что характеризует процессы качения в зоне III.

Увеличение давления воздуха в шине приводит к снижению потерь на качение шины по твердому покрытию во всем диапазоне изменения скорости, уменьшению радиальной деформации» и повышению ее жесткости, что уменьшает тепловые потери. Надо помнить, что в процессе качения по мере нагрева шины давление воздуха в ней повышается, а сопротивление качению уменьшается. Разогрев холодной шины до установившейся рабочей температуры приводит к снижению коэффициента сопротивления качению примерно на 20 %. Зависимость сопротивления качению от давления воздуха является важной характеристикой шины.

Повышение нагрузки на колесо при постоянном давлении воздуха в шине увеличивает силу сопротивления качению. Однако при изменении нагрузки с 80 до 110 % от номинальной коэффициент сопротивления качению практически остается постоянным. Рост нагрузки на 20 % сверх максимально допустимой повышает коэффициент сопротивления качению примерно на 4 %.

Сопротивление качению колеса несколько повышается с увеличением приложенного к колесу крутящего и тормозного моментов. Однако интенсивность нарастания потерь при тормозном моменте больше, чем при ведущем.

Для различных типов дорожных покрытий коэффициент сопротивления качению колеблется в следующих пределах:

Таблица 1 – Коэффициенты сопротивления качению шин

Как влияют параметры шин на экономичность автомобиля

При выборе шин для своего автомобиля, как правило, мало кто задумывается о том, что сопротивление качению шин и колес вносит свой, пусть не самый большой вклад в увеличение расхода топлива.

Насколько увеличивается расход горючего в каждом конкретном случае оценить сложно, результатами исследований и оценок отдельных специалистов «General Motors Proving Grounds» заявлены величины потерь всего в десятые доли литров. Насколько подобные заявления соответствуют действительности проверить или оспорить невозможно, но практически все автомобилисты могут подтвердить реально ощутимое изменение величины выбега автомобиля на холостом пробеге при замене с одной марки авторезины на другую (даже замены летней на зимнюю и наоборот).

Более достоверными являются сведения о характеристиках и условиях работы автомобильных покрышек, опубликованных непосредственными производителями авторезины. Согласно данным таких грандов как «Данлоп» и «Пирелли» уменьшение потерь, вызванных сопротивлением качения колеса, на 10 процентов снижает расход горючего на 2 процента.

Сопротивление катящегося колеса автомобиля связано с постоянно возникающей деформацией участка покрышки в месте контакта колеса с дорожным покрытием, вследствие смещения точки давления на дорогу. При этом разные участки резиновой ленты покрышки растягиваются и сжимаются одновременно.

В течение постоянных процессов сжатия и растяжения резины происходят так называемые процессы диссипации или рассеивания внутренней энергии деформации. Резина плохо проводит тепло и при отсутствии внешнего охлаждения (водой луж, снегом, морозным воздухом), в условиях длительного движения, колесо нагревается до значительной температуры. В отдельных случаях, при значительной перегрузке, возможно даже возгорание.

Справедливости ради попробуйте прикоснуться рукой к покрышке колеса своего автомобиля после длительного пробега.

Экспериментально доказано, что наилучшими, с точки зрения экономичности, являются шины, изготовленные на основе природного каучука. Далее, с небольшим снижением показателей идут шины из полиизопрена и бутадиена, значительно хуже показали себя бутил-бутадиеновые материалы.

Длительные практические испытания всевозможных моделей и марок шин, с разными протекторами и скоростными характеристиками показали следующее:

1. Для увеличения экономичности предпочтительно выбирать колеса с максимальным наружным диаметром и наименьшей высотой профиля.

2. Широкопрофильная шина всегда имеет более низкий коэффициент сопротивления качению, чем обычная.

3. Даже небольшое снижение давления воздуха в шине может значительно увеличить сопротивление качению. Например, при уменьшении давления воздуха в колесе на 40% сопротивление качению возрастает на 60%. Рекомендовано, для улучшения экономичности, увеличить давление на 10 процентов выше рекомендованных фирмой – производителем автомобиля. Основной причиной увеличения сопротивления качению при низком давлении является значительное уменьшение жесткости боковин покрышек.

Очень часто водители намеренно уменьшают давление воздуха в колесах, стараясь уменьшить общую жесткость системы «колесо+подвеска», тем самым повысить комфортность и мягкость хода. Последствия таких новаций – значительное увеличение сопротивления качению.

4. Колеса и шины, изготовленные из низкокачественных материалов, или предназначенные для езды по бездорожью конструктивно не будут экономичными. Модели, изготовленные для зимних условий, покажут неплохие результаты только при отрицательных температурах или повышенном внутреннем давлении воздуха. Высота протектора до определенного значения не влияет на экономичность, но при значениях близких к критичным 2 мм, экономичность шин снижается.

Все вышеприведенные материалы и выводы справедливы для исправной и правильно отрегулированной подвески автомобиля.

При изменении угла развал-схождения колес на 1 градус по сравнению с расчетным, приводит к увеличению потерь на 12%. Износ боковин увеличивается на 15-18%, ресурсный пробег колеса падает практически на 20%.

При наличии хороших дорог наиболее экономичным вариантом для выбора шин является установка на диски большого диаметра низкопрофильных шин максимальной ширины с протектором, препятствующим возникновению эффекта аквапланирования. Неудобством такой резины может быть некоторое снижение комфорта езды для моделей с жесткой спортивной подвеской. Управляемость и экономичность на такой резине будет вне конкуренции.

Все приведенные рекомендации справедливы как для диагональных, так и радиальных вариантов шин. Но, в сравнении между собой, последние имеют характеристики более чем на 25% лучше конкурентов, независимо от фирмы изготовителя или модели. Поэтому нет необходимости рассматривать шины с заведомо более низкими параметрами, тем более, что в мировой практике фактически отказались от выпуска диагональных моделей авторезины.