Сопротивление качения шины формула

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

Двухтактный двигатель как альтернатива четырёхтактному, его преимущества и недостатки.

Наибольшие механические потери в двигателе вызваны трением поршня в цилиндре. Подшипники находятся в более выгодных условиях.

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 .

Источник

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.

Источник

Характеристики автомобильных шин

Шины проектируются для обеспечения оптимальных характеристик в определенных условиях применения и для каждого типа автомобиля подбираются шины с наиболее приемлемыми характеристиками для данных рабочих условий.

Чтобы научиться правильному обслуживанию шин, необходимо знать общие характеристики шин. Поэтому в этой главе будут рассмотрены следующие вопросы:

• Сопротивление качению л Выделение тепла шинами

• Тормозные характеристики шин

• Волнообразная устойчивая деформация протектора шины

• Характеристики при движении на повороте

1. СОПРОТИВЛЕНИЕ КАЧЕНИЮ ШИН

Значительная часть мощности двигателя расходуется на преодоление следующих сопротивлений движению автомобиля:

• Трение в силовой передаче — в коробке передач, шестернях дифференциала, подшипниках и других составных частях, а также сопротивление, вызываемое маслом

• Инерционное сопротивление при ускорении

• Сопротивление преодолению подъема на уклоне из-за действия силы тяжести и т.д.

• Сопротивление качению шин

На графике ниже показано, как эти сопротивления меняются с изменением скорости движения. При низких скоростях сопротивление качению шин является самым значительным фактором сопротивления движению автомобиля и оно возрастает с ростом скорости автомобиля.

ПРИЧИНЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ КАЧЕНИЮ

Сопротивление качению вызывается двумя главными факторами:

1. Сопротивлением трения между шиной и поверхностью дороги

Сопротивление трения создается при движении протектора шины по поверхности дороги. Это сопротивление, составляющее от 5 до 10% от общего сопротивления качению, изменяется в зависимости от состояния дороги, рисунка протектора и других факторов.

2. Сопротивлением, связанным с деформацией шины

При движении автомобиля часть протектора, входящая в контакт с поверхностью дороги, непрерывно изменяется, создавая цикл деформации за каждый оборот колеса, действующую на протектор, боковины и т.д. Этот цикл потребляет часть энергии, требуемой для вращения шины, и создает сопротивление.

Таким образом, энергия, поглощаемая шиной, преобразуется в тепло, которое увеличивает температуру внутри шины и сокращает ее срок службы. Сопротивление, обусловленное деформацией шины, составляет до 90% или более от общего сопротивления качению шины.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ КАЧЕНИЮ

Сопротивление качению шины определяется по следующей формуле:

где R : Сопротивление качению шины
k : Коэффициент сопротивления качению
W : Нагрузка на шину

Коэффициент сопротивления качению шины меняется с изменением состояния дороги, скорости автомобиля, давления воздуха в шине, типа шины, устройства, рисунка протектора и других факторов:

1. Поверхность дороги

Коэффициент сопротивления качению шины меняется с изменением состояния дорожной поверхности, по которой движется автомобиль:

2. Скорость автомобиля

Коэффициент сопротивления качению постепенно увеличивается вплоть до скорости 100 км/ч, а затем начинает резко возрастать. Это резкое увеличение обусловлено волнообразной деформацией шины (см. стр. 46), создаваемой деформацией протектора шины при более высоких скоростях автомобиля.

3. Давление воздуха в шине

Коэффициент сопротивления качению снижается с увеличением давления воздуха в шине. Это происходит потому, что уменьшается радиальный прогиб и теряется меньше энергии на деформацию шины и сопровождаемое ее внутреннее трение.

4. Отношение высоты профиля шины к его ширине

Уменьшение этого отношения увеличивает жесткость шины. Это, в свою очередь, снижает прогиб шины, тем самым уменьшая коэффициент сопротивления качению.

5. Устройство шины

Радиальная шина имеет меньшее сопротивление качению, чем диагональная шина, поскольку радиальная шина прогибается в основном в радиальном направлении, тогда как каркас диагональной шины подвержен изгибанию, а протектор — деформации.

Сопротивление качению и расход топлива

Расход топлива автомобилем изменяется с изменением сопротивления движению автомобиля. Следовательно, нельзя не учитывать имеющееся сопротивление качению. Вообще, автомобиль, оснащенный радиальными шинами, расходует примерно на 18% меньше топлива, чем автомобиль с диагональными шинами.

2. ВЫДЕЛЕНИЕ ТЕПЛА ШИНАМИ

Поскольку резина, слои корда и другие основные части не являются полностью эластичными, они подвержены увеличенным гистерезисным потерям*, поскольку поглощают энергию при прогибе шины и преобразуют ее в тепло. Так как эти материалы являются плохими проводниками тепла, они не способны быстро рассеять выделяемое тепло, поэтому тепло накапливается внутри материала шины, вызывая рост внутренней температуры шины. Чрезмерное накопление тепла ослабляет связи между слоями резины и корда, в итоге приводя к разделению слоев или даже к разрыву шины. Накопление тепла внутри шины меняется с изменением таких факторов, как давление воздуха в шине, нагрузка, скорость автомобиля, глубина канавок протектора и устройство шины.

При деформировании под нагрузкой не полностью эластичного материала внутреннее трение преобразует часть энергии в тепло, вызывая потерю энергии, известную как «гистерезисная потеря”.

Поскольку шина более эластична при меньшем давлении в ней, чрезмерно низкое давление вызывает больший прогиб шины и увеличение внутреннего трения, повышая внутреннюю температуру шины.

Увеличение нагрузки аналогично снижению давления воздуха в шине: внутренняя температура шины возрастает, поскольку она больше прогибается. В то же время к бортам и плечам прилагаются дополнительные нагрузки, которые могут привести к расслоению корда или разрыву шины.

Внутренняя температура растет с ростом скорости автомобиля, поскольку шина вынуждена деформироваться с большей частотой.

Радиальная шина имеет жесткие пояса, которые прочно удерживают каркас, поэтому протектор, контактируя с поверхностью дороги, менее подвержен деформации. Поскольку пояса снижают прогиб протектора, шина выделяет меньше тепла и температура шины остается ниже, чем у диагональной шины. Радиальные шины со стальным кордом также излучают больше тепла, поскольку слои стального корда обладают большей теплопроводностью.

Более того, бескамерные шины остаются более холодными, чем камерные, потому что воздух внутри «шины находится в непосредственном контакте с ободами и, следовательно, им легче излучать тепло.

Данные, приведенные выше, характерны для шин грузовых автомобилей и автобусов, имеющих более толстые протекторы и слои каркасного корда. Поскольку составные части этих шин являются плохими проводниками тепла, то чем толще слои корда, тем больше они препятствуют излучению тепла, а это вызывает рост темпера-туры шины.

3. ТОРМОЗНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Автомобили замедляются и останавливаются путем создания трения между шинами и поверхностью дороги. Величина создаваемого тормозного усилия зависит от состояния поверхности дороги, типа шины, устройства шины и других условий, при которых работает шина. Тормозная характеристика шины оценивается коэффициентом трения. Чем меньше его величина, тем меньшую силу трения создает шина и тем больше тормозной путь (расстояние, которое проходит автомобиль от момента нажатия на педаль тормоза до полной остановки автомобиля).

ИЗНОС ШИН И ТОРМОЗНОЙ ПУТЬ

Износ шин не сильно влияет на тормозной путь на сухой поверхности дороги. Однако, на мокрых дорогах тормозной путь значительно увеличивается. Тормозная характеристика становится плохой, потому что рисунок протектора изношен до такой степени, что он не в состоянии удалять воду между протектором и поверхностью дороги, что приводит к аквапланированию.

4. ШУМНОСТЬ ПРОТЕКТОРА

Шумность протектора является наиболее характерным рабочим шумом шины. Канавки протектора, контактирующие с поверхностью дороги, содержат воздух, который улавливается и сжимается между канавками и дорожной поверхностью. Когда протектор покидает поверхность дороги, сжатый воздух вырывается из канавок, создавая шум.

Шум возрастает, если конструкция протектора такова, что воздух более подвержен улавливанию в канавках. Блочный или грун-тозацепный рисунок протектора, например, более склонны создавать шум, чем ребристый рисунок. Частота шума возрастает с ростом скорости автомобиля. Поскольку шум-ность протектора зависит от рисунка протектора, протектор может быть спроектирован так, чтобы свести к минимуму шум. Простой повторяющийся грунтозацепный или зигзагообразный рисунок протектора, например, может содержать едва различимые вариации в расположении элементов рисунка протектора.

5. ВОЛНООБРАЗНАЯ ДЕФОРМАЦИЯ ШИНЫ

При движении автомобиля шина непрерывно прогибается, когда новый участок протектора входит в контакт с поверхностью дороги. Позднее, когда этот участок покидает поверхность дороги, давление воздуха в шине и эластичность шины стремятся возвратить протектор и каркас шины в первоначальное состояние. Однако, при более высоких скоростях шина вращается слишком быстро, чтобы обеспечить достаточное время для этого возврата. Этот процесс, непрерывно повторяющийся с такими короткими интервалами, вызывает рост колебаний в протекторе. Эти колебания, которые называются волнообразной деформацией шины, непрерывно распространяются по окружности шины. Большая часть энергии, заключенной в волнообразной деформации, преобразуется в тепло, которое резко повышает температуру шины. При некоторых условиях это нарастание тепла может даже разрушить шину в течение нескольких минут, приводя к отделению протектора от каркаса (разрыву).

Вообще, максимально допустимая скорость для шин легковых автомобилей определяется скоростью автомобиля, при которой возникают волнообразные деформации шины — например, около 150 км/ч для диагональной шины. Эта величина, однако, меньше, если давление воздуха в шине понижено. С другой стороны, радиальная шина может выдерживать более высокие скорости автомобиля, поскольку ее каркас, прочно удерживаемый жесткими поясами, менее подвержен деформации. Шины для автобусов, грузовых автомобилей и грузовиков малой грузоподъемности имеют мало проблем из-за волнообразной деформации, поскольку такие автомобили движутся с более низкими скоростями и их шины имеют более высокое давление воздуха.

6. АКВАПЛАНИРОВАНИЕ

Автомобиль скользит по мокрой дороге, если его скорость слишком велика, чтобы дать протектору достаточное время для удаления воды с поверхности дороги с тем, чтобы достичь плотного сцепления шины с дорогой. Причина этого состоит в том, что при возрастании скорости автомобиля сопротивление воды соответственно возрастает, заставляя шину ’’плавать” по поверхности воды. Это явление известно как аквапланирование. Его эффект аналогичен водным лыжам: водный лыжник погружается в воду при низких скоростях, но начинает скользить по поверхности воды, когда его скорость возрастает. Протектор, входящий в контакт с поверхностью дороги, может быть разделен на три следующие зоны:

Выталкивает воду в стороны или нагнетает ее через зигзагообразные канавки и каналы в протекторе.

Оставшаяся водная пленка удаляется сайпами.

С: Зона сцепления (зона трения)

Протектор сцепляется с оставшейся частью осушенного участка контакта.

При меньших скоростях зона С самая широкая и поэтому шина прочно сцепляется с дорогой, создавая достаточное трение между протектором и поверхностью дороги. Однако, при разгоне автомобиля трение шины снижается, поскольку зона А постепенно увеличивается за счет зон В и С. Автомобиль все более уподобляется гидросамолету с увеличением слоя воды от 2,5 до 10 мм.

Этап 1: Протектор находится в полном контакте с поверхностью дороги.

Этап 2: Клинообразная пленка воды постепенно проникает между протектором и поверхностью дороги (частичное аквапланирование).

Этап 3: Протектор полностью приподнимается над поверхностью дороги (полное аквапланирование).

Аквапланирование может не только вызывать потерю управляемости автомобиля, но может снизить или свести к нулю эффективность торможения, вызывая потерю водителем контроля над автомобилем. Нет нужды говорить, что это крайне опасно, поэтому следует соблюдать следующие предосторожности, чтобы исключить аквапланирование:

1. Не используйте шины с изношенным протектором. При износе шины канавки протектора не в состоянии удалить воду между шиной и поверхностью дороги настолько быстро, чтобы исключить аквапланирование.

2. Снижайте скорость на мокрой дороге, потому что более высокие скорости увеличивают сопротивление воды и вызывают аквапланирование.

3. Повышайте давление в шинах. Более высокое давление противодействует давлению воды, стремящейся попасть под протектор и, тем самым, замедляет начало аквапланирования.

7. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИ ДВИЖЕНИИ НА ПОВОРОТЕ

Поворот всегда сопровождается центробежной силой, которая стремится повернуть автомобиль по большей дуге, чем задается водителем, если автомобиль не может создавать достаточной противодействующей силы — т.е., центростремительной силы -чтобы уравновесить ее. Эта центростремительная сила вызывается деформацией и боковым скольжением протектора, что обусловлено трением между шиной и поверхностью дороги. Ее называют направляющим усилием на повороте.

Это направляющее усилие на повороте стабилизирует автомобиль при повороте. Характеристики поворота автомобиля изменяются в зависимости от:

1. Технических характеристик шин (рисунок протектора, угол слоев корда, число слоев корда).

2. Нагрузки, приложенной к протектору в зоне контакта (направляющее усилие на повороте возрастает с увеличением нагрузки.

3. Размера шины (Усилие на повороте возрастает с увеличением размера шины).

4. Состояния дорожных поверхностей (Усилие на повороте быстро снижается на мокрой или заснеженной дороге).

5. Давления воздуха в шине (Усилие на повороте возрастает, так как шина становится более жесткой при более высоком давлении).

6. Развала колес относительно дороги (Уменьшение положительного угла развала, образуемого осью колеса и дорогой, увеличивает усилие на повороте).

7. Ширины обода (более широкие шины жестче и, следовательно, создают большее усилие на повороте).

8. ИЗНОС ШИНЫ

Износ шины — это полная потеря или повреждение протектора и других резиновых поверхностей из-за трения, возникающего при скольжении шины по дороге. Износ меняется с изменениями давления в шине, нагрузки, скорости автомобиля, торможения, состояния поверхности дороги, температуры и других факторов.

ДАВЛЕНИЕ В ШИНЕ

Недостаточное давление в шине ускоряет износ шины, позволяя протектору сильно прогибаться при контакте с дорогой.

Повышенная нагрузка ускоряет износ шины по существу так же, как снижение давления в шине. Шина также быстрее изнашивается при повороте тяжело нагруженного автомобиля, потому что большая центробежная сила вызывает большее усилие на повороте, тем самым создавая большее трение между шиной и поверхностью дороги.

СКОРОСТЬ АВТОМОБИЛЯ

Приводная и тормозная силы, центробежная сила при повороте и другие силы, действующие на шину, увеличиваются пропорционально квадрату скорости автомобиля. Поэтому увеличение скорости автомобиля многократно увеличивает эти силы, увеличивает трение, возникающее между протектором и поверхностью дороги и, следовательно, ускоряет износ шин.

Кроме этих факторов, на износ большое влияние оказывает состояние дороги: неровная дорога будет быстрее изнашивать шину, чем гладкая дорога.

Источник