19 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как уменьшить сопротивление качению легкового автомобиля

Коэффициент сопротивления качению

Коэффициент сопротивления качению существенно влияет на потери энергии при движении автомобиля. Он зависит от многих конструктивных и эксплуатационных факторов и определяется экспериментально. Его средние значения для различных дорог при нормальном давлении воздуха в шине составляют 0,01 . 0,1.

Рис 3.15. Зависимости коэффициента сопротивления качению от

скорости движения (а), давления воздуха в шине (б) и момента,

передаваемого через колесо (в)

Рассмотрим влияние различных факторов на коэффициент со­противления качению.

Скорость движения. При изменении скорости движения в ин­тервале 0. 50 км/ч коэффициент сопротивления качению изме­няется незначительно и его можно считать постоянным в указан­ном диапазоне скоростей.

При повышении скорости движения за пределами указанного интервала коэффициент сопротивления качению существенно уве­личивается (рис. 3.15, а) вследствие возрастания потерь энергии в шине на трение.

Коэффициент сопротивления качению в зависимости от ско­рости движения можно приближенно рассчитать по формуле

где v скорость автомобиля, км/ч.

Тип и состояние покрытия дороги. На дорогах с твердым по­крытием сопротивление качению обусловлено главным образом деформациями шины.

При увеличении числа дорожных неровностей коэффициент сопротивления качению возрастает.

На деформируемых дорогах коэффициент сопротивления ка­чению определяется деформациями шины и дороги. В этом случае он зависит не только от типа шины, но и от глубины образую­щейся колеи и состояния грунта.

Значения коэффициента сопротивления качению при рекомен­дуемых уровнях давления воздуха и нагрузки на шину и средней скорости движения на различных дорогах приведены ниже:

Асфальто- и цементобетонное шоссе:

в хорошем состоянии 0,007. 0,015

в удовлетворительном состоянии 0,015. 0,02

Гравийная дорога в хорошем состоянии 0,02. 0,025

Булыжная дорога в хорошем состоянии 0,025. 0,03

Грунтовая дорога сухая, укатанная 0,025. 0,03

Обледенелая дорога, лед 0,015. 0,03

Укатанная снежная дорога 0,03. 0,05

Тип шины. Коэффициент сопротивления качению во многом зависит от рисунка протектора, его износа, конструкции каркаса и качества материала шины. Изношенность протектора, уменьше­ние числа слоев корда и улучшение качества материала приводят к падению коэффициента сопротивления качению вследствие снижения потерь энергии в шине.

Давление воздуха в шине. На дорогах с твердым покрытием при уменьшении давления воздуха в шине коэффициент сопро­тивления качению повышается (рис. 3.15, б). На деформируемых дорогах при снижении давления воздуха в шине уменьшается глу­бина колеи, но возрастают потери на внутреннее трение в шине. Поэтому для каждого типа дороги рекомендуется определенное давление воздуха в шине, при котором коэффициент сопротивле­ния качению имеет минимальное значение.

Нагрузка на колесо. При увеличении вертикальной нагрузки на колесо коэффициент сопротивления качению существенно возрастает на деформируемых дорогах и незначительно — на до­рогах с твердым покрытием.

Момент, передаваемый через колесо. При передаче момента через колесо коэффициент сопротивления качению возрастает (рис. 3.15, в) вследствие потерь на проскальзывание шины в месте ее контакта с дорогой. Для ведущих колес значение коэффициента сопротивления качению на 10. 15 % больше, чем для ведомых.

Коэффициент сопротивления качению оказывает существен­ное влияние на расход топлива и, следовательно, на топливную экономичность автомобиля. Исследования показали, что даже не­большое уменьшение этого коэффициента обеспечивает ощути­мую экономию топлива. Поэтому неслучайно стремление конст­рукторов и исследователей создать такие шины, при использова­нии которых коэффициент сопротивления качению будет незна­чительным, но это весьма сложная проблема.

ASEngineering › Блог › ПРАКТИЧЕСКАЯ АЭРОДИНАМИКА «За Рулем» №4, 1983

Снижение расхода топлива, пожалуй, наиболее актуальная проблема в современном автомобилестроении. Расход этот зависит прежде всего от объективного фактора — различных сил сопротивления движению, на преодоление которых затрачивается энергия сгорания топлива. Уменьшение их — один из путей его экономии. Наша статья посвящена резервам, заключенным в улучшении аэродинамических свойств автомобиля.
В общем сопротивлении движению автомобиля аэродинамические силы могут составлять существенную часть. Если при езде по городскому циклу (средняя скорость 40—50 км/ч) они достигают 8%, при движении в пригородной зоне (средняя скорость 80—90 км/ч) — 29%, то на автострадах — 53%. Отметим, что чем выше скорость, тем быстрее растут потери «на ветер»: уже при 60 км/ч они отнимают больше энергии, чем любая другая составляющая. Дело в том, что мощность, расходуемая на преодоление аэродинамического сопротивления, пропорциональна кубу скорости; значит, если скорость удваивается, то мощность должна увеличиться в восемь раз.
Чтобы уяснить, как возникает и воздействует на автомобиль сопротивление воздуха, рассмотрим, из чего оно складывается. Взаимодействие воздуха и автомобиля можно представить как сумму сопротивлений: профильного, индуктивного, внутреннего, а также сопротивлений трения и выступов. Наибольший «вклад» (около 58%) приходится на профильное. Оно обусловлено самой формой кузова. Воздух, обтекающий автомобиль, как бы сжимается впереди него, создавая значительное положительное давление. Поток, идущий по верхней части кузова, неоднократно отрывается от его поверхности, что создает в этих местах области пониженного давления. В задней же части поток окончательно отрывается от кузова. Там образуется мощный вихревой след и область больших отрицательных давлений. Положительное давление впереди автомобиля и отрицательное сзади препятствуют движению, создавая сопротивление давлений, или профильное сопротивление воздуха.
Индуктивное сопротивление (8% в общем балансе) вызывается разностью давлений на верхнюю и нижнюю части кузова. В результате их взаимодействия возникает сила, отжимающая автомобиль от земли, — подъемная. Хотя она и сокращает сопротивление качению, ее влияние на ходовые качества машины в целом отрицательно — это уменьшение силы сцепления колес с дорогой, которое влечет за собой ухудшение управляемости.
Сопротивление выступов (13% всех потерь). Очевидно, что свой вклад в полное аэродинамическое сопротивление вносит любая выступающая деталь автомобиля (зеркало, антенна, ручки дверей и т. д.). Так, багажник на крыше при скорости 60 км/ч увеличивает его на 10—12%, из-за чего на 2—3% растет расход топлива. Специалисты ряда фирм считают, что только изменение подобных деталей может улучшить топливную экономичность на 3—4%.
Сопротивление трения (11% всех потерь) обусловлено «прилипанием» к поверхности кузова слоев воздуха, вследствие чего поток вблизи нее теряет скорость. Потери энергии на поверхностное трение зависят главным образом от качества отделки кузова. Во всяком случае, эксперименты показали, что если у нового полированного автомобиля оно составляет около 8% общего сопротивления воздуха, то у плохо покрашенного, с грубой поверхностью возрастает в 2—2,5 раза. В частности, поверхностное трение заметно увеличивается в случае, когда крыша обтянута модным гранулированным виниловым кожзаменителем.
Внутреннее сопротивление (10% всех потерь) возникает при прохождении воздуха через системы охлаждения и вентиляции. Природа этих потерь такова, что возможность снизить их в настоящее время весьма проблематична.
Количественной характеристикой суммарного аэродинамического сопротивления служит так называемый коэффициент лобового сопротивления — Сх, который, как правило, определяют экспериментальным путем. Для этого автомобиль или его уменьшенный макет устанавливают в аэродинамическую трубу и моделируют его обтекание воздушным потоком. Меньшую точность дают некоторые методы дорожных испытаний.
Коэффициент лобового сопротивления у легковых автомобилей, выпущенных разными фирмами в 70-х и 80-х годах, колеблется (см. таблицу) от 0,30 до 0,60.

Вернемся к вопросу о затратах мощности и топлива на преодоление сопротивления воздуха. Приведенный на вкладке график показывает, как влияет на них изменение коэффициента лобового сопротивления при разных скоростях… Теперь, когда мы представляем, что значит Сх для экономии топлива, небезынтересными окажутся и такие данные: дополнительные фары перед облицовкой радиатора увеличивают его на 0,04, грязезащитные фартуки у всех колес — на 0,03, выдвинутая антенна — на 0,02, наружное зеркало заднего вида — на 0,01, неубранные стеклоочистители — на 0,007. Все это дополнительное оборудование плюс багажник на крыше могут поднять суммарную величину Сх, скажем, для ВАЗ—2105 с 0,43 до 0,58, и это означает расход лишних 1—1,5 л бензина на 100 километров. Цифра достаточно убедительная для того, чтобы учитывать аэродинамические характеристики автомобиля как в эксплуатации, так и, прежде всего, на стадии проектирования…

Коэффициент лобового сопротивления Сх:
«Ауди-100» (0,30), ВАЗ-2101 (0,46), ВАЗ-2103 (0,45), ВАЗ-2105 (0,43), ГАЗ-20 (0,46), ГАЗ-24 (0,45), ГАЗ-24 (0,41), ЗАЗ-968 (0,48), «Москвич-2140» (0,41), СИМКА-1307 (0,38), «Ситроен-ЖСА-Икс-3» (0,32), «Ситроеи-ЦИкс» (0,35), «Фольксваген-жук» (0,60), «Фольксваген-гольф» (0,42), «Фольксваген-пассат» (0,38), «Форд-фиеста» (0,42).

Ф. УЗБЕКОВ, инженер («За Рулем» №4, 1983)

Литература:
Михайловский Е. Аэродинамика автомобиля. М., Машиностроение, 1973.
Павловский Я. Автомобильные кузова. М., Машиностроение, 1977.
«За рулем», 1978, № 1, № 7; 1981, № 4, № 8.
«Автомобильная промышленность», 1979, № 11.

Как уменьшить сопротивление качению легкового автомобиля

4.1. Сопротивление качению автомобиля

Одним из главных требований, предъявляемым к шинам легковых автомобилей и связанным с топливной экономичностью, является наименьшее значение коэффициента сопротивления качению. Кроме того, шины должны обладать хорошей устойчивостью и управляемостью, не допускать заноса автомобиля при отклонениях колеса от направления движения.

Потеря контакта с поверхностью дороги наступает при наличии на ней значительного слоя воды. В этом случае возникает эффект жидкостного трения, подобного трению в подшипнике, и шина скользит по воде. При помощи соответствующего рисунка протектора можно обеспечить отвод воды в сторону, чтобы в контакте шины с поверхностью дороги не образовывался слой воды, на котором шина теряет управляемость и возникает опасный эффект «аквапланирования».

Шины с изношенным протектором намного опаснее с точки зрения вышеизложенного эффекта, чем новые. Зависимость коэффициента сцепления от скорости автомобиля и толщины слоя воды для новых и изношенных шин показана на рис. 8. При падении коэффициента сцепления ниже 0,05 автомобиль становится неуправляемым.


Рис. 8. Зависимость коэффициента сцепления φсц от скорости автомобиля v и толщины слоя воды на поверхности дорожного покрытия: а — новая шина; б — изношенная шина без протектора

Читать еще:  Как определить резину летняя или зимняя

С точки зрения плавности хода автомобиля и устранения шума в кабине, шина должна поглощать небольшие неровности дороги и не передавать вызываемые ими вибрации на кузов. Это требует прежде всего увеличения податливости боковины шины, но лишь до такой степени, чтобы не допустить потери управляемости автомобиля. Жесткость боковины влияет на боковой увод колеса, возникающий при наличии осевой силы, действующей в плоскости, перпендикулярной оси вращения колеса.

Жесткость боковин шины определяет ее конструкция, и прежде всего способ наложения корда. На рис. 9 изображены различные типы шин: а диагональная с укладкой слоев корда под углом; б радиальная с укладкой слоев корда по радиусу шины с армирующими слоями под протектором; в диагональная улучшенного типа с армирующими слоями под протектором.


Рис. 9. Способы укладки слоев корда шин

Прогресс в области шин направлен на создание все более низкопрофильных шин, имеющих меньшие потери на качение и лучшие показатели устойчивости и управляемости. Профиль шины оценивается процентным отношением его высоты к ширине. На рис. 10 показаны сечения шин серий «80»-«40». Наиболее широко применяется серия «70», а серия «40», например, предназначена уже только для гоночных автомобилей.


Рис. 10. Сечения шин серий ’80’-’40’

Поскольку передаточное отношение трансмиссий автомобиля рассчитывают с учетом диаметра колеса, то и при использовании низкопрофильной шины этот диаметр должен быть сохранен неизменным. Для этого шина должна монтироваться на обод большего диаметра. Это имеет свои положительные стороны: например, можно увеличить ширину и диаметр тормозов, что улучшит их охлаждение. Однако масса колеса увеличится, если не применить для его изготовления легкие сплавы.

В предыдущих главах для простоты изложения использовалось допущение, что коэффициент сопротивления качению не зависит от скорости движения. В действительности это не так, поскольку конструкция, технология изготовления или материал шин оказывают влияние на изменение этого коэффициента, особенно при больших скоростях движения. На рис. 11 приведены реальные значения коэффициента сопротивления качению, измеренные у шин итальянской фирмы «Пирелли» серий «80»-«50».


Рис. 11. Зависимость сопротивления качению шин f от скорости автомобиля υ

При высоких скоростях отчетливо проявляется преимущество низкопрофильных шин серий «60» и «50». Например, шина HR/60 на скорости 160 км/ч имеет сопротивление качению на 26 % меньше, чем шина SR/80.

Среднее удельное давление в площади контакта у шины с упругой боковиной приблизительно равно давлению воздуха в шине. Поэтому как широкая, так и узкая шины одинаково нагруженного колеса будут иметь равный размер площади контакта с поверхностью дороги. Однако формы поверхности контакта будут различными. На рис. 12 показаны два колеса с шинами различной ширины и их отпечатки. Площадь обоих отпечатков одинакова, но у более широкой шины он растянут по ширине, у менее широкой — по длине. Как изображено на боковой проекции колеса, деформация широкой шины h меньше, чем узкой hu. Это является причиной меньшего погружения колеса в мягкое покрытие и, следовательно, меньшего коэффициента сопротивления качению. Данное правило действует и на твердом покрытии, так как изменяется угол наезда α, образуемый между касательной к окружности колеса и поверхностью дороги в месте контакта ее с колесом. Коэффициент сопротивления качению измеряется при качении колеса по ровному покрытию, имеющему большую жесткость, что моделирует качение эластичного колеса по жесткому покрытию и приблизительно соответствует условиям качения шины по дороге с асфальтовым или бетонным покрытием. В этом случае можно пренебречь влиянием деформации дорожного покрытия, и деформация колеса будет протекать таким образом, как показано на рис. 13. При статическом нагружении деформация симметрична, а равнодействующая сил проходит через центр тяжести отпечатка.


Рис. 12. Поверхности контакта узкой и широкой шин с дорожным покрытием


Рис. 13. Распределение давления р на поверхности контакта шины с дорожным покрытием

Колесо представляет собой пневматическую пружину с высокопрогрессивной характеристикой. Характеристику этой пружины можно получить путем нагружения колеса и измерения положения его центра тяжести в зависимости от величины нагрузки. При вращении шины каждую элементарную площадку на ее окружности можно считать самостоятельной, предварительно сжатой пружиной. Дополнительное сжатие этих парциальных пружин при контакте с дорогой требует затраты работы, которая увеличивает сопротивление качению шины. При выходе из контакта этих пружин после достижения максимального сжатия в среднем положении энергия, аккумулированная в них, высвобождается, и сила действует в направлении движения, уменьшая сопротивление качению. Для идеальной шины вложенная энергия была бы равна энергии высвобожденной, и колесо катилось бы без потерь.

Однако шина снабжена реальным протектором и, кроме того, в ней имеется внутреннее трение. При деформации протектора, помимо силы, необходимой для сжатия пневматической пружины, требуется сила для придания ускорения парциальной массе. Наличие внутреннего трения вызывает расход еще части энергии на разогрев шины. Следовательно, в первой половине цикла соприкосновения шины с дорогой должно быть развито усилие, достаточное для сжатия пружины, придания ускорения массе протектора и преодоления внутреннего трения. Однако во второй половине цикла вся сила сжатия пружины не высвободится, так как часть ее уйдет на придание обратного ускорения массе и на преодоление внутреннего трения. При вращении колеса на массу протектора воздействует также центробежная сила. Распределение удельных давлений по площади отпечатка будет поэтому неравномерным.

Равнодействующая всех сил расположена в первой половине отпечатка и удалена от оси колеса на расстояние s. За счет этого возникает момент сопротивления sG, который вызывает горизонтальное сопротивление H = G tg φ, где tg φ = s/R = f; G — нагрузка на шину.

В действительности, при передаче окружного усилия с шины на дорогу зависимости гораздо сложнее, но для наглядности объяснения приведенная выше упрощенная модель вполне пригодна. Так как центробежная сила и время сжатия зависят от окружной скорости у, то и сопротивление качению также частично зависит от нее. Эта зависимость выражается уравнением

Значение f и в особенности показатель степени n, по мнению различных авторов, имеют весьма широкий диапазон. По Э. Эверлингу n = 1; В. Камм считает n = 2, Андро n = 3,7.

Для наших рассуждений о путях снижения сопротивления качению вполне пригодны реально измеренные значения коэффициента сопротивления f (см. рис. 11) и влияние на него давления в шине (рис. 14). Из графиков на рис. 14 видно, что малое давление значительно увеличивает сопротивление качению, особенно при больших скоростях движения.


Рис. 14. Зависимость коэффициента сопротивления качению f от скорости автомобиля v и давления в шинах р

Как показано на рис. 11, до скорости 60-80 км/ч сопротивление качению несколько падает, но при больших скоростях резко увеличивается. Сверхнизкопрофильная шина серии VR/50 сохраняет небольшую величину сопротивления качению вплоть до скорости 200 км/ч. Таким же свойством обладает и шина HR/60.

Весьма опасным для шин является резонанс протектора, возникающий на высоких скоростях. При достижении определенных оборотов колеса могут начаться колебания элементов слоя протектора на пневматической пружине под влиянием постоянных импульсов сжатия при каждом повороте колеса. На поверхности шины в момент выхода ее из контакта с дорогой появляются статические волны, которые могут распространиться по всей окружности колеса. Резонанс протектора является причиной больших выделений теплоты и поэтому недопустим. При его возникновении в течение нескольких десятков секунд слой протектора может отделиться и, таким образом, возникнет аварийная ситуация.

Резонанс протектора резко повышает сопротивление качению, а рост энергии, потребляемой для преодоления сопротивления, сильно разогревает шину. Границы резонанса можно сдвинуть в сторону больших частот вращения колеса повышением внутреннего давления в шине и уменьшением массы протектора. Максимально допустимая скорость для отдельных типов шин фирмы «Пирелли» ограничивается следующим образом: SR — 180 км/ч; HR — 210 км/ч; VR — более 210 км/ч.

Снижение сопротивления качению у низкопрофильных шин весьма значительно и поэтому способствует повышению топливной экономичности. Фирма «Пирелли» гарантирует, что использование нового типа шин Р8 вызывает уменьшение расхода топлива до 4 %, что соответствует снижению сопротивления качению на 20 %. Одновременно повышается срок службы шин. Шина Р8 относится к серии «65» и пригодна для использования на скоростях до 180 км/ч.

Низкопрофильные шины обладают большей жесткостью боковин, что проявляется в меньшей величине бокового увода. На рис. 15 показано влияние угла бокового увода на коэффициент сопротивления качению. Пунктирная кривая характеризует шины серии «80», сплошная — серии «60».


Рис. 15. Зависимость коэффициента сопротивления качению f узкой и широкой шин от угла бокового увода β

Одним из главных требований, предъявляемых к шинам, является обеспечение хорошего сцепления с поверхностью дороги. Оно обусловливается шириной профиля шины, рисунком протектора и качеством его материала. Для обеспечения максимального сцепления с поверхностью дороги у гоночных автомобилей применяются шины, изготовленные из особо мягкого материала с гладким протектором без рисунка. Мелкие углубления на поверхности протектора делаются лишь для контроля износа, который у этих шин при малых пробегах достигает значительных размеров. Сопротивление качению у таких гладких шин меньше, чем у тех, которые снабжены протектором с рисунком.

Как видно из вышеизложенного, правильный выбор типа шины и соблюдение установленного внутреннего давления воздуха в них являются важными факторами, влияющими на уменьшение расхода топлива. Поскольку, однако, доля сопротивления качению в сумме общего сопротивления движению автомобиля значительно уменьшается с ростом скорости, то уменьшение этого вида сопротивления движению не означает пропорционального снижения расхода топлива. Так, уменьшение сопротивления качению шин на 10 % вызывает снижение потребления топлива лишь на 2%. Низкопрофильные шины обеспечивают лучшие условия движения, что может приводить к увеличению скорости, при котором экономия топлива, достигнутая снижением сопротивления качению, практически сведется к нулю. В этом случае необходимо принимать в расчет, какое снижение расхода достигается уменьшением сопротивления качению шин и насколько увеличивается этот расход из-за роста скорости движения.

Читать еще:  Такси в кореновске

При действии боковой силы коэффициент сопротивления качению шины растет. Боковая сила возникает чаще всего при движении на поворотах. Чтобы не допустить при этом снижения скорости автомобиля, необходимо увеличить мощность двигателя. Боковая сила растет с ростом скорости и соответственно увеличивается сопротивление качению. Поэтому при прохождении поворотов на большой скорости потребление топлива увеличивается.

Поворот можно проезжать и способом плавного скольжения всех колес (так называемый управляемый занос автомобиля), что весьма эффективно, но при этом требуется значительная мощность двигателя. Все колеса автомобиля в таком случае отклонены от направления движения. Умение экономично проезжать поворот на большой скорости заключается в прохождении его с наименьшим буксованием колес.

Уменьшение сопротивления качению автомобиля

Одним из главных требований, предъявляемым к шинам легковых автомобилей и связанным с топливной экономичностью, является наименьшее значение коэффициента сопротивления качению. Кроме того, шины должны обладать хорошей устойчивостью и управляемостью, не допускать заноса автомобиля при отклонениях колеса от направления движения.

Потеря контакта с поверхностью дороги наступает при наличии на ней значительного слоя воды. В этом случае возникает эффект жидкостного трения, подобного трению в подшипнике, и шина скользит по воде. При помощи соответствующего рисунка протектора можно обеспечить отвод воды в сторону, чтобы в контакте шины с поверхностью дороги не образовывался слой воды, на котором шина теряет управляемость и возникает опасный эффект «аквапланирования».

Шины с изношенным протектором намного опаснее с точки зрения вышеизложенного эффекта, чем новые. Зависимость коэффициента сцепления от скорости автомобиля и толщины слоя воды для новых и изношенных шин показана на рис. 1. При падении коэффициента сцепления ниже 0,05 автомобиль становится неуправляемым.

Рис. 1
Зависимость коэффициента сцепления φсц от скорости автомобиля v и толщины слоя воды на поверхности дорожного покрытия: а — новая шина; б — изношенная шина без протектора.

С точки зрения плавности хода автомобиля и устранения шума в кабине, шина должна поглощать небольшие неровности дороги и не передавать вызываемые ими вибрации на кузов. Это требует, прежде всего, увеличения податливости боковины шины, но лишь до такой степени, чтобы не допустить потери управляемости автомобиля. Жесткость боковины влияет на боковой увод колеса, возникающий при наличии осевой силы, действующей в плоскости, перпендикулярной оси вращения колеса.

Жесткость боковин шины определяет ее конструкция, и прежде всего способ наложения корда. На рис. 2 изображены различные типы шин: а диагональная с укладкой слоев корда под углом; б радиальная с укладкой слоев корда по радиусу шины с армирующими слоями под протектором; в диагональная улучшенного типа с армирующими слоями под протектором.

Рис. 2
Способы укладки слоев корда шин.

Прогресс в области шин направлен на создание все более низкопрофильных шин, имеющих меньшие потери на качение и лучшие показатели устойчивости и управляемости. Профиль шины оценивается процентным отношением его высоты к ширине. На рис. 3 показаны сечения шин серий «80»—«40». Наиболее широко применяется серия «70», а серия «40», например, предназначена уже только для гоночных автомобилей.

Рис. 3
Сечения шин серий «80»—«40».

Поскольку передаточное отношение трансмиссий автомобиля рассчитывают с учетом диаметра колеса, то и при использовании низкопрофильной шины этот диаметр должен быть сохранен неизменным. Для этого шина должна монтироваться на обод большего диаметра. Это имеет свои положительные стороны: например, можно увеличить ширину и диаметр тормозов, что улучшит их охлаждение. Однако масса колеса увеличится, если не применить для его изготовления легкие сплавы.

Обычно используется допущение, что коэффициент сопротивления качению не зависит от скорости движения. В действительности это не так, поскольку конструкция, технология изготовления или материал шин оказывают влияние на изменение этого коэффициента, особенно при больших скоростях движения. На рис. 4 приведены реальные значения коэффициента сопротивления качению, измеренные у шин итальянской фирмы «Пирелли» серий «80»—«50».

Рис. 4
Зависимость сопротивления качению шин f от скорости автомобиля v .

При высоких скоростях отчетливо проявляется преимущество низкопрофильных шин серий «60» и «50». Например, шина HR/60 на скорости 160 км/ч имеет сопротивление качению на 26 % меньше, чем шина SR/80.

Среднее удельное давление в площади контакта у шины с упругой боковиной приблизительно равно давлению воздуха в шине. Поэтому как широкая, так и узкая шины одинаково нагруженного колеса будут иметь равный размер площади контакта с поверхностью дороги. Однако формы поверхности контакта будут различными. На рис. 5 показаны два колеса с шинами различной ширины и их отпечатки. Площадь обоих отпечатков одинакова, но у более широкой шины он растянут по ширине, у менее широкой — по длине. Как изображено на боковой проекции колеса, деформация широкой шины hs меньше, чем узкой hu . Это является причиной меньшего погружения колеса в мягкое покрытие и, следовательно, меньшего коэффициента сопротивления качению. Данное правило действует и на твердом покрытии, так как изменяется угол наезда α, образуемый между касательной к окружности колеса и поверхностью дороги в месте контакта ее с колесом. Коэффициент сопротивления качению измеряется при качении колеса по ровному покрытию, имеющему большую жесткость, что моделирует качение эластичного колеса по жесткому покрытию и приблизительно соответствует условиям качения шины по дороге с асфальтовым или бетонным покрытием [2]. В этом случае можно пренебречь влиянием деформации дорожного покрытия, и деформация колеса будет протекать таким образом, как показано на рис. 6. При статическом нагружении деформация симметрична, а равнодействующая сил проходит через центр тяжести отпечатка.

Рис. 5
Поверхности контакта узкой и широкой шин с дорожным покрытием.

Колесо представляет собой пневматическую пружину с высокопрогрессивной характеристикой. Характеристику этой пружины можно получить путем нагружения колеса и измерения положения его центра тяжести в зависимости от величины нагрузки. При вращении шины каждую элементарную площадку на ее окружности можно считать самостоятельной, предварительно сжатой пружиной. Дополнительное сжатие этих парциальных пружин при контакте с дорогой требует затраты работы, которая увеличивает сопротивление качению шины. При выходе из контакта этих пружин после достижения максимального сжатия в среднем положении энергия, аккумулированная в них, высвобождается, и сила действует в направлении движения, уменьшая сопротивление качению. Для идеальной шины вложенная энергия была бы равна энергии высвобожденной, и колесо катилось бы без потерь.

Рис. 6
Распределение давления p на поверхности контакта шины с дорожным покрытием.

Однако шина снабжена реальным протектором и, кроме того, в ней имеется внутреннее трение. При деформации протектора, помимо силы, необходимой для сжатия пневматической пружины, требуется сила для придания ускорения парциальной массе. Наличие внутреннего трения вызывает расход еще части энергии на разогрев шины. Следовательно, в первой половине цикла соприкосновения шины с дорогой должно быть развито усилие, достаточное для сжатия пружины, придания ускорения массе протектора и преодоления внутреннего трения. Однако во второй половине цикла вся сила сжатия пружины не высвободится, так как часть ее уйдет на придание обратного ускорения массе и на преодоление внутреннего трения. При вращении колеса на массу протектора воздействует также центробежная сила. Распределение удельных давлений по площади отпечатка будет поэтому неравномерным.

Равнодействующая всех сил расположена в первой половине отпечатка и удалена от оси колеса на расстояние s. За счет этого возникает момент сопротивления sG , который вызывает горизонтальное сопротивление H = G∙tgφ , где tgф = s/R = f ; G — нагрузка на шину.

В действительности, при передаче окружного усилия с шины на дорогу зависимости гораздо сложнее, но для наглядности объяснения приведенная выше упрощенная модель вполне пригодна. Так как центробежная сила и время сжатия зависят от окружной скорости ν , то и сопротивление качению также частично зависит от нее. Эта зависимость выражается уравнением

Значение f и в особенности показатель степени n , по мнению различных авторов, имеют весьма широкий диапазон. По Э. Эверлингу n = 1 ; В. Камм считает n = 2 , Андро n = 3,7 .

Для наших рассуждений о путях снижения сопротивления качению вполне пригодны реально измеренные значения коэффициента сопротивления (см. рис. 4) и влияние на него давления в шине (рис. 7). Из графиков на рис. 7 видно, что малое давление значительно увеличивает сопротивление качению, особенно при больших скоростях движения.

Как показано на рис. 4, до скорости 60—80 км/ч сопротивление качению несколько падает, но при больших скоростях резко увеличивается. Сверхнизкопрофильная шина серии VR/50 сохраняет небольшую величину сопротивления качению вплоть до скорости 200 км/ч. Таким же свойством обладает и шина HR/60.

Весьма опасным для шин является резонанс протектора, возникающий на высоких скоростях. При достижении определенных оборотов колеса могут начаться колебания элементов слоя протектора на пневматической пружине под влиянием постоянных импульсов сжатия при каждом повороте колеса. На поверхности шины в момент выхода ее из контакта с дорогой появляются статические волны, которые могут распространиться по всей окружности колеса. Резонанс протектора является причиной больших выделений теплоты и поэтому недопустим. При его возникновении в течение нескольких десятков секунд слой протектора может отделиться и, таким образом, возникнет аварийная ситуация.

Резонанс протектора резко повышает сопротивление качению, а рост энергии, потребляемой для преодоления сопротивления, сильно разогревает шину. Границы резонанса можно сдвинуть в сторону больших частот вращения колеса повышением внутреннего давления в шине и уменьшением массы протектора. Максимально допустимая скорость для отдельных типов шин фирмы «Пирелли» ограничивается следующим образом: SR — 180 км/ч; HR — 210 км/ч; VR — более 210 км/ч.

Читать еще:  Можно ли красить металл в дождь

Снижение сопротивления качению у низкопрофильных шин весьма значительно и поэтому способствует повышению топливной экономичности. Фирма «Пирелли» гарантирует, что использование нового типа [3] шин «P8» вызывает уменьшение расхода топлива до 4 %, что соответствует снижению сопротивления качению на 20 %. Одновременно повышается срок службы шин. Шина «P8» относится к серии «65» и пригодна для использования на скоростях до 180 км/ч.

Низкопрофильные шины обладают большей жесткостью боковин, что проявляется в меньшей величине бокового увода. На рис. 8 показано влияние угла бокового увода на коэффициент сопротивления качению. Пунктирная кривая характеризует шины серии «80», сплошная — серии «60».

Рис. 8
Зависимость коэффициента сопротивления качению f узкой и широкой шин от угла бокового увода β .

Одним из главных требований, предъявляемых к шинам, является обеспечение хорошего сцепления с поверхностью дороги. Оно обусловливается шириной профиля шины, рисунком протектора й качеством его материала. Для обеспечения максимального сцепления с поверхностью дороги у гоночных автомобилей применяются шины, изготовленные из особо мягкого материала с гладким протектором без рисунка. Мелкие углубления на поверхности протектора делаются лишь для контроля износа, который у этих шин при. малых пробегах достигает значительных размеров. Сопротивление качению у таких гладких шин меньше, чем у тех, которые снабжены протектором с рисунком.

Как видно из вышеизложенного, правильный выбор типа шины и соблюдение установленного внутреннего давления воздуха в них являются важными факторами, влияющими на уменьшение расхода топлива. Поскольку, однако, доля сопротивления качению в сумме общего сопротивления движению автомобиля значительно уменьшается с ростом скорости, то уменьшение этого вида сопротивления движению не означает пропорционального снижения расхода топлива. Так, уменьшение сопротивления качению шин на 10 % вызывает снижение потребления топлива лишь на 2 %. Низкопрофильные шины обеспечивают лучшие условия движения, что может приводить к увеличению скорости, при котором экономия топлива, достигнутая снижением сопротивления качению, практически сведется к нулю. В этом случае необходимо принимать в расчет, какое снижение расхода достигается уменьшением сопротивления качению шин и насколько увеличивается этот расход из-за роста скорости движения.

При действии боковой силы коэффициент сопротивления качению шины растет. Боковая сила возникает чаще всего при движении на поворотах. Чтобы не допустить при этом снижения скорости автомобиля, необходимо увеличить мощность двигателя. Боковая сила растет с ростом скорости и соответственно увеличивается сопротивление качению. Поэтому при прохождении поворотов на большой скорости потребление топлива увеличивается.

Поворот можно проезжать и способом плавного скольжения всех колес (так называемый управляемый занос автомобиля), что весьма эффективно, но при этом требуется значительная мощность двигателя. Все колеса автомобиля в таком случае отклонены от направления движения. Умение экономично проезжать поворот на большой скорости заключается в прохождении его с наименьшим буксованием колес.

Читайте также

Электромобиль «Kenguru» имеет только одну заднюю дверь, открыв которую водитель без посторонней помощи сможет въехать в салон машины на коляске.

Гидростатическая передача в легковых автомобилях до настоящего времени не применяется, поскольку она дорога и ее КПД относительно низок. Наиболее часто она используется в специальных машинах и транспортных средствах.

Что такое сопротивление качению шины

К аждый владелец машины вам уверенно заявит, что от качества автомобильных шин очень сильно зависит не только управляемость авто, но и расход топлива, сцепление с асфальтом и динамика движения. Кроме того, мы уверены, что вы точно слышали о таком термине, как «сопротивление качению шин» и наверняка задавались вопросом о том, что он означает и как он влияет на общие свойства покрышек. В нашей статье мы рассмотрим, что такое сопротивление качению шины, и как шины с низким сопротивлением качению могут повысить топливную эффективность вашего автомобиля. Итак, приступим!

Что такое сопротивление качению шины?

Давайте разберемся, что такое сопротивление качению шин. Когда вы нажимаете на педаль газа в вашем автомобиле, вы начинаете ускоряться. Но если посмотреть более детально на сам процесс ускорения автомобиля, то можно увидеть, что нажимая на педаль газа вы передаете энергию от сгорания топлива в моторе, или электрическую энергию (все зависит от того, какой тип двигателя вы используете) через другие системы прямиком на шины вашего автомобиля. Это приводит к тому, что ваши покрышки начинают оборачиваться и набирать достаточный импульс, чтобы ваш автомобиль начал двигаться. Но для того, чтобы колесо начало двигаться, ваши покрышки должны преодолеть очень много факторов, которые препятствуют началу движения. И одним из этих факторов является сопротивление качению шины.

Если говорить техническим языком, то сопротивление качению шины – это минимальная энергия, которую ваше транспортное средство должно передать на колеса, чтобы поддерживать постоянную скорость на ровном дорожном полотне. Другими словами, это усилие, которое нужно для того, чтобы колесо постоянно двигалось.

Главным источником сопротивлению качения является процесс, который называется гистерезис. С технической точки зрения, гистерезис – это, по сути, потеря энергии, которая возникает при прохождении шины по поверхности дорожного полотна. Из-за того, что двигатель автомобиля должен постоянно компенсировать гистерезис, он должен вырабатывать дополнительную энергию, что приводит к увеличению расхода топлива.

Как конструкция покрышки влияет на сопротивление качения

Что такое сопротивление качению мы уже разобрались. Но от чего непосредственно зависит сопротивлении качению? Как бы это странно не звучало, но качение покрышки напрямую зависит от конструкции шины и ее свойств. Давайте детально рассмотрим все ключевые аспекты.

Сама конструкция и материалы, из которых она установлена, напрямую влияет на качение шины. Кроме того, иногда индекс сопротивления качению двух визуально одинаковых покрышек может отличаться практически в два раза. Помимо конструкции, на свойства качения покрышки сильно влияет индекс скорости. Высокий индекс скорости означает, что покрышка обладает высокой курсовой устойчивостью, а сама покрышка специально усилена, чтобы выдерживать большие нагрузки. Хоть такие покрышки и обеспечивают большую безопасность на высоких скоростях, но из-за этого приходится жертвовать увеличенной мощность сопротивления. Немаловажным параметром также является размерность колеса. Здесь все просто: чем больше диаметр колеса, тем меньшим будет сопротивление качению. Известно, что плюс один сантиметр к диаметру колеса – это минус 1% от общего числа сопротивления качению.

Если хотите, чтобы мощность вашего двигателя израсходовалась на то, чтобы придавать вашему авто нужное ускорение, тогда вам нужно выбрать правильный протектор колеса. Запомните, что чем глубже протектор на покрышке, тем больше величина сопротивления. Поэтому, когда покрышки уже изрядно износятся, сопротивления качению может упасть на целых 30% от первоначальной величины.

Также всегда обращайте внимание на давление воздуха в покрышках. Помните, что приспущенное колесо неправильно прилипает к дороге и неравномерно распределяет давление. В результате в автомобиле сильно ухудшается сцепление с дорожным полотном и падает управляемость. Кроме того, при езде на плохо накаченных шинах приводит к тому, что сами шины быстро нагреваются, деформируются. При этом, увеличивается сопротивление качению, увеличивается расход топлива и сами покрышки быстрее изнашиваются.

Минимальное сопротивление качению шины

Скажем сразу, что избавиться сопротивления качению шины нельзя исходя из законов физики. Но раз его нельзя полностью устранить, его можно попробовать свести к минимуму. Как мы уже выяснили, сопротивление качения шин вызвано гистерезисом. Чтобы минимизировать его влияние можно спроектировать покрышку таким образом, чтобы ее протектор был как можно меньше. Минусом такого подхода будет очень малый срок службы покрышки.

Второй способ более технологичен, ведь он требует разработки качественно новых материалов для шин. Покрышки из таких материалов получат снижение сопротивления качению благодаря тому, что они будут устойчивыми к выработке тепла и их протектор будет иметь минимальный прогиб во время сцепления с дорожным покрытием. Современные шины с низким сопротивлением качению используют именно второй подход.

Сопротивление качению шин и экономия топлива

Итак, если просуммировать все вышесказанное, можно сказать, что если мы выберем шины, у которых коэффициент сопротивления качению довольно низкий, то мы сможем больше мощности двигателя перенаправить на увеличение скорости или поубавить газ для экономии топлива. В целом, такое предположение вполне обосновано.

Чтобы проверить эту теорию на практике ученые из автомобильной индустрии провели ряд независимых тестов. В них использовались покрышки, у которых снижения сопротивление качению достигло 10-12 % по сравнению с обычными шинами. При этом, использовались шины от разных производителей. Само тестирование проводилось на гоночном треке на специальном спортивном седане. Во время теста автомобиль проехал около 400 км с несколькими заправками.

В результате тестирования ученые выяснили, что использование шин с низким сопротивлением качения позволило снизить расход топлива на 6 процентов по сравнению с обычными покрышками. В целом, это не очень большое преимущество. Но если брать в пересчете на годовой запас топлива, то может получить довольно неплохая экономия семейного бюджета.

Кроме того, в отчете исследования сказано, что на размер экономии топлива будет влиять не только коэффициент сопротивления качения покрышек, но и стиль вождения, качество дорожного покрытия и общее техническое состояние автомобиля. Поэтому, сам факт того, что вы обули ваше авто в покрышки с низким сопротивлением качения, еще не гарантирует вам того, что вы сможете получить достаточную экономию топлива

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector