Как уменьшить сопротивление качению легкового автомобиля
Как уменьшить сопротивление качению легкового автомобиля
Сопротивление качению
Некоторое количество энергии вырабатываемой топливом шина при движении колеса расходует на деформацию из-за смещения пятен контактов. Данная энергия отнимается из приданной шине кинетической энергии, и вследствие этого колесо замедляется. Около 25—30 процентов энергии топлива может затрачиваться на сопротивление качению. Хотя, данный % в большой степени зависит от скорости автомобиля. Он очень невелик на высоких скоростях.
Сопротивление качению связано с большим количеством эксплуатационных и конструктивных особенностей:
1) состояния дорожной поверхности
6) конструкции шины
В основном сопротивление качению связано с такими конструктивными характеристиками шин, таких как толщина и состояние протектора, число слоев и расположение нитей корда. Снижение численности слоев корда, толщины протектора, использование синтетических материалов и стекловолокна с небольшими утратами помогает снижению сопротивления качению. При увеличении размера шины т.е. диаметра при иных одинаковых обстоятельствах сопротивление качению тоже уменьшается.
«Не забывайте проверять давление в шинах». Проверено, что понижение давления в шинах всего на 0,1 атм. приносит повышение расхода топлива на 2-3 %. Определить на глаз шину с давлением 1, 2 атм. от 2,0 атм. способен не каждый человек, однако водитель, хозяин автомобиля с подспущенными шинами, дожжен будет затрачивать на каждой заправке своего автомобиля лишние деньги.
Завышение предельно допустимого давления в шинах чрезвычайно опасно на скользкой и мокрой дороге. Ни в коем случае нельзя применять этот метод зимой, так как расходы на ремонт автомобиля после ДТП, могут во много раз быть больше по сравнению со средствами сэкономленными от бензина.
С 1 ноября в странах Евросоюза введены обязательные этикетки для производителей шин, облегчающие выбор потребителю.
По новым требованиям, новые шины обязаны иметь дополнительную этикетку с указанием таких ключевых характеристик, как сопротивление качению, сцепление на мокрой дороге и уровень внешнего шума.
Чем меньше сопротивление качению при движении шины, тем меньше энергии рассеивается и, соответственно, тем меньше требуется топлива для продолжения движения. Сопротивление качению составляет до 20% расхода топлива легкового автомобиля и до 30% грузового. Поэтому топливная эффективность помогает снизить прямые расходы и выбросы углекислого газа. Разница между шинами классов G и A по маркировке значительна. В расчете на четыре шины для легкового автомобиля экономия за период использования шин может составить до 300 евро на покрышку благодаря сокращению расхода топлива на 7,5%.
Для больших грузовиков с увеличенным числом колес финансовая разница может быть еще больше. Так, при использовании шин класса A по сопротивлению качению вместо шин G грузовая компания может сэкономить более 5 тыс. евро за период эксплуатации шин.
Ожидается, что использование шин с улучшенными показателями сопротивления качению, а маркировка упростит процедуру, позволит сократить выброс углекислого газа в Европе на 20 млн тонн в год и экономить 10 млрд евро ежегодно.
Величину силы сопротивления качению (условно это Ск) можно расчитать по следующей формуле:
Ск = f G,
где Ск — сила сопротивления качению в кг;
G — вес авто в кг;
f — коэффициент сопротивления качению, который учитывает действие сил деформации шин и грунта, а также трение между ними в различных дорожных условиях.
Определение коэффициента трения качения
Очень большое влияние оказывают эксплуатационные характеристики сопротивления качения на величину момента . Поэтому, с увеличением давления в шине и температуры сопротивление качению понижается. Минимальное сопротивление качению возможно при нагрузке, приближенной к минимальной. С увеличением коэффициента износа шин сопротивление качению уменьшается.
Влияние эксплуатационных и конструктивных факторов на коэффициент сопротивления качению
На величину коэффициента сопротивления качению в общем случае оказывают влияние следующие эксплуатационные и конструктивные факторы: тип и состояние дороги, скорость движения, давление воздуха в шинах, вес, приходящийся на колесо, размеры колеса, конструктивные особенности шины, величина передаваемого через шину момента.
На дорогах с твердым покрытием потеря энергии на качение колеса в основном определяется деформациями шины. На коэффициент сопротивления качению в этом случае существенное влияние оказывают динамические нагрузки, возникающие в результате движения колеса по неровностям дороги. Чем больше таких неровностей и чем больше вызываемые ими динамические нагрузки, тем больше коэффициент сопротивления качению. При движении по абсолютно гладкой асфальтовой, бетонной или асфальтобетонной дороге для современных шин можно считать коэффициент сопротивления качению равным/= 0,005. 0,01. При движении по реальным дорогам того же типа увеличение коэффициента сопротивления качению, связанное с наличием неровностей, зависит от степени ровности дороги, скорости движения, а также от качества подвески автомобиля и конструкции его ходовой части.
Профессор А. К. Бируля предложил следующую формулу для оценки влияния состояния дорожного покрытия на коэффициент сопротивления качению: 
где f — коэффициент сопротивления качению на ровной дороге (/р= 0,005. 0,01); Ап — коэффициент, зависящий от конструкции ходовой части автомобиля; Sn — коэффициент ровности покрытия.
Коэффициенты Ап и Sn определяются опытным путем. В среднем можно считать для легковых автомобилей Ам = 4, для грузовых автомобилей А. = 5,5. Для асфальтобетонного шоссе в отличном состоянии S = 50.. .75, для того же шоссе в неудовлетворительном состоянии Sn > 300.
Для деформируемых дорог (грунтовые дороги, песок, снег и др.) коэффициент сопротивления качению в общем случае определяется деформациями как шины, так и дороги. Величина коэффициента/ на таких дорогах сильно зависит как от типа шин, так и от состояния дороги. Средними значениями коэффициента сопротивления на дорогах такого типа можно считать: асфальтобетонное и цементобетонное шоссе: в хорошем состоянии/= 0,001 . 0,015;
в удовлетворительном состоянии/= 0,015___0,025;
грунтовая дорога сухая, укатанная/= 0,025. 0,04; грунтовая дорога после дождя/= 0,05. 0,15; песок сухой/= 0,10. ..0,30.
С увеличением скорости движения коэффициент сопротивления движению, как правило, увеличивается. При малых и средних скоростях движения это увеличение не очень существенно, если дорога достаточно ровная и давление воздуха в шинах близко к номинальному.
На неровных дорогах, как видно из формулы (21), даже при средних скоростях движения коэффициент / может возрастать довольно сильно с увеличением va.
Начиная с некоторого значения скорости, тем меньшего, чем меньше давление воздуха в шине, коэффициент сопротивления качению начинает быстро расти (рис. 9). При номинальном давлении воздуха в шине быстрый рост сопротивления качению начинается при скоростях 20. 25 м/с (70. 90 км/ч).
Имеется ряд эмпирических формул, позволяющих приближенно подсчитать коэффициенты сопротивления качению при различных скоростях движения.
Достаточно близкие значения коэффициента /в пределах изменения скоростей 15. 40 м/с (50. 150 км/ч) дает эмпирическая формула
Рис. 9. Зависимость коэффициента сопротивления качению от скорости движения автомобиля
где/. — коэффициент сопротивления качению при малой скорости (fc = 0,015. 0,02); va — скорость автомобиля, м/с.
При больших скоростях движения эта формула дает заниженные результаты.
Изменение давления воздуха в шине по-разному влияет на величину коэффициента сопротивления качению на различных дорогах.
На дорогах с твердым покрытием коэффициент/увеличивается с увеличением давления воздуха в шине, достигая минимального значения при давлении, близком к рекомендованному заводом- изготовитслем для данной шины. При чрезмерном увеличении давления воздуха возрастают динамические нагрузки, возникающие в результате взаимодействия колеса с неровностями дороги и действующие на подвеску, что может привести к некоторому возрастанию коэффициента/ Чем ровнее дорога, тем большему давлению воздуха соответствует минимум коэффициента/
При движении по деформируемым дорогам уменьшение давления воздуха увеличивает потери, связанные с деформацией шины. Одновременно с этим уменьшаются потери, связанные с деформацией дороги. Поэтому можно подобрать такое давление воздуха (обычно меньше давления, рекомендуемого для движения по дорогам с твердым покрытием), при котором сопротивление качению будет минимальным (рис. 10). Это оптимальное давление воздуха в шине гем меньше, чем больше деформируемость дорожного полотна.
Такие зависимости коэффициента сопротивления качению от давления воздуха используются для повышения проходимости автомобилей, снабженных центральной системой давления воздуха в шинах.
Вес, приходящийся на колесо, почти не оказывает влияния на коэффициент сопротивления качению по дорогам с твердым покрытием, но значительно увеличивает сопротивление качению на деформируемых дорогах.
На дорогах с твердым покрытием коэффициент/мало зависит от размеров колеса. На деформируемых дорогах коэффициент/ уменьшается с увеличением размеров шины, особенно диаметра колеса.
Из конструктивных параметров шины основное влияние на коэффициент сопротивления качению оказывают рисунок протектора, число слоев корда, конструкция каркаса. На дорогах с
Рис. 10. Зависимость коэффициента сопротивления качению от внутреннею давления воздуха твердым покрытием минимальное сопротивление качению имеют шины с гладким протектором. Применение в этих условиях шин повышенной проходимости с сильно расчлененным протектором увеличивает коэффициент сопротивления качению на 20.. .25 %. Увеличение числа слоев корда увеличивает коэффициент/ Значительно (на 10. ..15 %) уменьшается коэффициент/у шин с радиальным расположением нитей корда (шины типа R).
Увеличение передаваемого через колесо момента увеличивает сопротивление качению. Это объясняется увеличением потерь на проскальзывание элементов контакта шин с дорогой. Зависимость коэффициента/от передаваемого через колесо крутящего момента возрастает с увеличением последнего.
Объяснение маркировки шин ЕС
Объяснение маркировки шин ЕС
Маркировка шин ЕС содержит важную информацию о безопасности и экологичности каждой шины. Она позволяет сравнивать показатели сцепления на мокрой дороге, расхода топлива и уровня шума разных шин.
Где находится маркировка?
Она должна быть нанесена на шину согласно действующим нормам о маркировке шин ЕС, России и стран ТС. Если вам не удается найти ее на шине, обратитесь к своему дилеру или на наш веб-сайт.
Экономия топлива
Знаете ли вы, что правильный выбор шин может снизить расход топлива на 20 %? Выбор экономичных шин позволит проезжать больше километров на одной заправке и снизить уровень выбросов CO2.
От чего зависит экономичность шины?
Топливосберегающие шины требуют меньше энергии для преодоления сопротивления качению. Это, в конечном итоге, сокращает расход топлива.
Как измеряется топливная экономичность?
Индексы топливной экономичности находятся в диапазоне от «А» до «G» на цветовой шкале.
- «A» (зеленый цвет) = максимальная топливная экономичность,
- «G» (красный цвет) = минимальная топливная экономичность
- Для легковых автомобилей индекс «D» не используется.
Что означают эти индексы?
Различие между индексами «A» и «G» может указывать на разницу в расходе топлива до 7,5 %. Если выразить это в абсолютных показателях, использование шин с индексом «A» вместо «G» позволит экономить более 6 литров топлива на каждой тысяче километров.*
При средней цене топлива до 36 рублей за один литр экономия может составить до 7200 рублей за весь период эксплуатации шин.*
Не забывайте также о снижении негативного влияния на окружающую среду!
*при среднем расходе 8 литров на 100 км, цене топлива 36 рублей за литр и среднем пробеге шин 35 000 км. Реальные значения экономии топлива и затрат могут зависеть, помимо прочего, от давления в шинах, массы автомобиля и стиля вождения.
Что еще влияет на топливную экономичность?
- Низкое давление в шинах.
Недостаточное давление воздуха в шине повышает ее сопротивление качению и влияет на ее сцепление с влажной дорогой.
Важное значение имеет также масса автомобиля и стиль вождения. Расход топлива можно снизить, перейдя на энергосберегающий стиль вождения (так называемое «эковождение»).
Представленные здесь значения приведены в качестве примера. Значения для различных типоразмеров шин могут отличаться.
Сцепление с мокрой дорогой
Шины, имеющие хорошее сцепление с влажной дорогой, будут быстрее останавливаться на мокрой поверхности при резком торможении.
Что такое сцепление с мокрой дорогой?
Сцепление с мокрой дорогой — это способность шины «цепляться» за влажную поверхность. В классификации ЕС учитывается только один показатель сцепления с влажной поверхностью: эффективность торможения на мокрой дороге.
Как измеряется сцепление с влажной дорогой?
Сцепление с влажной дорогой выражается индексами от «A» до «F»:
«A» = максимальный показатель,
«F» = минимальный показатель
Для легковых автомобилей индексы «D» и «G» не используются.
Что означают эти индексы?
В экстренных ситуациях сокращение тормозного пути на несколько метров может иметь решающее значение. Тормозной путь легкового автомобиля, на котором установлены шины с индексом «А», при резком торможении со скорости 80 км/ч будет на 18 метров короче, чем при использовании шин с индексом «F».*
Примечание. Во время вождения всегда соблюдайте рекомендованную дистанцию для торможения.*при измерении по методике, указанной в Регламенте ЕС 1222/2009. Реальный тормозной путь зависит от дорожных условий и прочих факторов.
Представленные здесь значения приведены в качестве примера. Значения для различных типоразмеров шин могут отличаться.
Уровень шума
В определенной степени шум, создаваемый автомобилем при движении, связан с шинами. Использование тихих шин помогает снизить воздействие вашего автомобиля на окружающую среду.
Что обозначают индексы шума шин по классификации ЕС?
Классификация ЕС отражает уровень наружного шума от шины в децибелах.
Значения шума в децибелах понятны не всем, поэтому в маркировке приводится также графическое изображение шумности в виде звуковых волн черного цвета. Чем больше количество изображенных волн, тем выше уровень шумности шины.
- 1 черная волна: тихая шина (как минимум на 3 дБ ниже предельного значения для Европы)
- 2 черных волны: умеренно шумная шина (между предельным значением и уровнем ниже него на 3 дБ)
- 3 черных волны: шумная шина (выше предельного значения для Европы)
Что означают эти индексы
Количество децибел измеряется по логарифмической шкале. Добавление всего нескольких децибел приводит к значительному увеличению уровня шума. На практике увеличение показателя на 3 дБ удваивает уровень наружного шума от шин.
При этом каждый день на дороги выезжают тысячи автомобилей. Использование более тихих шин поможет значительно снизить уровни шума в современных городах.
Как уменьшить сопротивление качению легкового автомобиля
Автомобильная шина представляет собой упругую оболочку, расположенную на ободе колеса. Шина предназначена для поглощения незначительных колебаний, вызываемых несовершенством дорожного покрытия, реализации и восприятия сил, возникающих в пятне контакта с дорогой и обеспечения высокого коэффициента сцепления.
По назначению автомобильные шины делятся на шины для легковых и грузовых автомобилей. И для тех, и для других автомобилей используют шины диагональной и радиальной конструкции, с камерами и без камер, одно- и многослойные по числу слоев корда и т.д.
Межгосударственным стандартом ГОСТом 4754-97 «Шины пневматические для легковых автомобилей, прицепов к ним, легких грузовых автомобилей и автобусов особо малой вместимости. Технические условия», введенным 01.01.1999 г., установлены классификация шин, технические требования, методы испытаний, требования к их эксплуатации и др. Стандарт распространяется на шины для легковых автомобилей, прицепов к ним, легких грузовых автомобилей (полной массой не более 3,5 т) и автобусов особо малой вместимости (число посадочных мест до 12), предназначенные для эксплуатации на дорогах различных категорий во всех климатических зонах при температуре от минус 45 до плюс 55 °С (зимние шины до минус 10 °С).
Производители шин непрерывно ведут работу над усовершенствованием их конструкции, которое направлено на увеличение срока службы шин, допускаемых нагрузок, упрощение технологии их производства, повышение безопасности движения автомобилей, улучшение их устойчивости и управляемости.
Рассмотрим взаимодействие шины с дорогой. При движении автомобиля шина работает в очень сложных и тяжелых условиях. В процессе качения на шину действуют различные по значению и направлению силы. К внутреннему давлению воздуха и действию массы автомобиля на шину в неподвижном состоянии при качении колеса добавляются динамические силы, а также силы, связанные с перераспределением массы автомобиля между колесами. Силы меняют свои величины, а в ряде случаев и направление в зависимости от скорости движения, состояния дорожного покрытия, температуры окружающего среды, уклонов, характера поворотов дороги и т.п.
Существует два основных фактора, которые значительно и часто влияют на давление в шинах. Это — температура окружающей среды и нагрузки. От давления в шинах зависят такие характеристики покрышек, как длина тормозного пути, сопротивление качению, боковой увод и многие другие. Если изменить какой-нибудь показатель, то изменятся и другие характеристики машины, указанные в руководстве по эксплуатации. На некоторых автомобильных шинах указывается рекомендуемое давление только для того, чтобы водитель видел, что при таком-то давлении они сохраняют свою работоспособность, т.е. не разрушаются. Давление воздуха в шине является одним из наиболее существенных факторов, влияющих на коэффициент сопротивления уводу. Важным является тот факт, что давление воздуха в известных пределах может легко изменяться в различных условиях эксплуатации, в результате чего можно желательным образом воздействовать на сопротивляемость шин уводу при эксплуатации автомобиля.
Исследованиями в МГТУ «МАМИ», ведущих специализированных институтов за рубежом установлено, что в большинстве случаев с увеличением давления воздуха в шине ее коэффициент сопротивления уводу сначала нарастает и достигает максимального значения, а затем уменьшается.
На давление в автомобильных шинах оказывает влияние внешняя нагрузка. К перегрузкам шин чаще всего приводит загрузка автомобиля массой, превышающей его грузоподъемность, а также неравномерное распределение груза в кузове автомобиля. От оптимальной внешней нагрузки зависят нормальный прогиб, площадь контакта шины, значение и характер распределения напряжений в зоне контакта, интенсивность износа протектора. Перегрузка шин вызывает дополнительный расход топлива, потери мощности двигателя автомобиля на преодоление сопротивления качению колес. К признакам перегрузки шин можно отнести следующие явления: резкие колебания кузова при движении автомобиля, увеличенную деформацию боковых стенок покрышек, несколько затрудненное управление автомобилем.
При частичной и полной загрузке автомобиля давление в шинах будет различаться. 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 %. Зачастую в руководствах по использованию автомобилей оптимальное рабочее давление в шинах указывается при неполной загрузке автомобиля (один — три человека) и редко при полной (более трех человек). Под действием сил при качении колеса шина в различных зонах непрерывно деформируется, т.е. отдельные ее части изгибаются, сжимаются, растягиваются. При продолжительном движении шина нагревается, в результате чего повышается внутреннее давление воздуха в шине и снижается прочность ее составляющих, особенно резиновых. Ошибочным является распространенное мнение водителей о том, что для уменьшения влияния перегрузки шин следует их подкачать. В действительности, повышение норм внутреннего давления воздуха в сочетании с перегрузкой сокращает срок службы шин. При перегрузках автомобиля шины деформируются на большее значение, и при этом равнодействующая всех сил, приложенных к сечению бортового кольца со стороны шины, перемещается ближе к его наружной кромке. Это способствует увеличению деформации бортового кольца и его выворачиванию, что может привести к самопроизвольному размонтированию колеса во время движения.
Значительное влияние на давление воздуха в шине оказывают погодные условия. При резкой смене погоды меняется и давление воздуха в шинах. К примеру, если за окном была температура +5 °С, а давление воздуха в шине (175/70R13) было доведено до нормы (к примеру, 2,0 атм.), а затем температура повысилась до +25 °С, то давление в шинах может вырасти до 2,8 атм. При полной загрузке автомобиля эта же цифра может подскочить и до 3,3-3,6 атм. А если учесть и такие моменты солнечного дня, как температуру раскаленного в течение дня на солнце асфальта и увеличение температуры колес вследствие сил трения, то давление в шинах может легко превысить максимально допустимые значения.
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.
Рассмотрим давление в шине и управляемость на мокром покрытии.
У недостаточно накачанной шины плечевая зона изнашивается быстрее, чем середина протектора (рисунок)[1].
В накачанной по инструкции шине давление воздуха способствует равномерному распределению нагрузки в пятне контакта, что обеспечивает стабильность структуры покрышки. Известно, что это сказывается на характере ее износа, сопротивлении качению и долговечности. Снижение давления оказывает заметное влияние на сопротивляемость шины аквапланированию и сцеплению на мокрой дороге. Способность шины сопротивляться аквапланированию будет зависеть от скорости и массы автомобиля, от рисунка и глубины протектора, от равномерности распределения нагрузки в пятне контакта. Одним из способов, которым производители определяют устойчивость их продукции к аквапланированию и эффективности сцепления на влажной поверхности, является проезд через стеклянную ёмкость с тарированным уровнем воды. Производители шин разрабатывают модели с великолепным сопротивлением аквапланированию и превосходными показателями сцепления на мокрой дороге. Многочисленные исследования показывают, что это справедливо при рекомендуемом давлении в шинах.
Изнашиваемость шин при различном давлении
У хорошо накачанной шины давление соответствует инструкции и составляет 2,4 атм. и не позволяет средней части протектора проваливаться внутрь.
При небольшом снижении давления средняя часть протектора не получает достаточного подпора и прогибается внутрь.
Если колесо движется со скоростью 96 км/ч (60 mph), а давление в шине всего 1,7 атм., то при прохождении шины через ёмкость вода приподнимает среднюю часть протектора. В этом случае пятно контакта почти отсутствует, работают только плечевые зоны.
Недостаточно накачанная шина создает неравномерное распределение давления на поверхность дороги, в связи с этим ухудшаются сцепные свойства, происходит преждевременный износ шины.
Проведенные исследования, а также данные зарубежных источников информации по эксплуатации шин с пониженным давлением, позволяют сделать следующие выводы.
1. Недостаточное давление в шине приводит к увеличению амплитуды деформаций, повышенному нагреву и, таким образом, потере энергии, которая проявляется в повышении сопротивления качению и увеличении расхода топлива.
2. При давлении на 20 % ниже нормы наблюдается снижение срока службы шины в среднем на 30 %
3. При недостаточном давлении в шине она не только быстро изнашивается, но и попросту опасна: при движении больше нагревается, разрушается ее каркас. Такая шина может лопнуть или разбортироваться на повороте или при наезде на препятствие.
В связи с вышеизложенным можно сделать следующий вывод. На шину в процессе качения действуют различные по значению и направлению силы, в свою очередь, во многом зависящие от внешней нагрузки и температуры окружающей среды.
Это диктует необходимость разработки системы, которая позволит поддерживать оптимальное давление воздуха в шинах, опираясь на информацию, полученную с датчиков, анализирующих изменение вышеприведенных факторов окружающей среды. Кроме того, считаем целесообразным исследование влияние других факторов окружающей среды — давления окружающей среды и влажности атмосферного воздуха — на давление внутри автомобильной шины, так как Россия располагается в пределах четырех природно-климатических поясов, характеризующихся ярко выраженными климатическими особенностями.
Список литературы
- Работа автомобильной шины / под ред. В.И. Кнороза. — М.: Транспорт, 1976. — 238 с.
- Тарковский В.Н., Гудков В.А., Третьяков О.Б. Автомобильные шины. — М.: Транспорт, 1990. — 217с.
- Ходес И.В. Методология прогнозирования управляемости колесной машины: автореф. дис. . д-ра. техн. наук. — Волгоград, 2007. — 33 с.
- ГОСТ 4754-97. Шины пневматические для легковых автомобилей, прицепов к ним, легких грузовых автомобилей и автобусов особо малой вместимости. Технические условия. — http://protect.gost.ru (дата обращения: 10.06.2010).
Рецензент —
Ткаченко В.П., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Ландшафтное строительство» ГОУ ВПО СГУТ и КД, г. Сочи.
Работа поступила в редакцию 09.03.2011.
[1] Источник заимствования — ресурсы мировой Сети.
