что влияет на увеличение сопротивления качению

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 🙂

Источник

Факторы, влияющие на сопротивление качению колес

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

На сопротивление качению колес автомобиля влияют следу­ющие факторы:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Источник

Что такое сопротивление качению шины?

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

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

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

От чего зависит сопротивление качению шины

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

Как производители снижают сопротивление качению

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

У топливоэкономичных шин худшее сцепление с дорогой?

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

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

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:

• 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

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”.

ДАВЛЕНИЕ ВОЗДУХА В ШИНЕ

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).

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

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

ДАВЛЕНИЕ В ШИНЕ

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

НАГРУЗКА

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