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 φ_сц 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. 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 h_u. 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.

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.

Автомобилю, чтобы совершать движение,
приходится преодолевать 5 сил, одна из
которых называется сопротивлением качению.

Сопротивление — это действие,
препятствующее проявлению и развитию иного действия. По правилам механики действие
= противодействию.

Так вот, с любым кругооборотом колеса
покрышка (шина) искажается под влиянием полотна дороги. Все возможные усилия,
которые во время тормоза или прохождения поворота требуют ускорения, включены в
опорной плоскости шины. Из-за деформации, верхняя основа покрышки нагревается и
тратит какую-то часть энергии, посылаемую двигателем, вот это действие и
называется сопротивлением качению.

Процент сопротивления качения
довольно-таки зависит от стремительности машины и при обычной скорости тратится
от 25% до 30% энергии горючего. Но при более интенсивном движении автомобиля,
процент достаточно низок.

Данное сопротивление зависит от некоторых
факторов:

1. Структуры механизма машины.
2. Силы действия (давление) воздуха в
   покрышке.
3. Температурных показателей.
4. Производительности (нагрузки).
5. Стремительности движения машины.
6. Техсостояния поверхности дороги.

Наиболее важные причины, от которых
зависит сопротивление качению:

Конструктивность размера и объема шин:

• число слоев;
• конфигурация нитей корда;
• толщина;
• состояние протектора.

Факторы, влияющие на снижение данного
сопротивления:

1. Меньшее число слоев оболочки корда.
2. Корпуленция протектора.
3. Использование материалов из синтетических основ —
   ПЛАСТИФИКАТОРЫ.
4. Увеличение диаметра покрышки.

Эксплуатационные моменты сильно влияют на
причину противодействия качению. Дело в
том, что с повышением силы действия воздуха (давления) в шине, а также ее
температурных параметров, противодействие качению убавляется. Наименьшее противодействие (сопротивление) качению имеет
участок при нагрузке, сходной с номинальной, который при увеличении степени
деформации шины уменьшается.

Сопротивление качению на магистралях с
достаточно плотным покрытием, зависит во многом от характера и параметров
ухабистости дорог, что определяет деформацию покрышки и, конечно же, подвески,
а, следовательно, лишнюю затрату энергии. Лишняя работа или дополнительные
затраты на неровный грунт и выдавливание влаги и слякоти, которые пребывают в
участке соприкосновения колеса с дорогой, обычно связанно с движением по
достаточно деликатным опорным плоскостям.

Если скорость автомобиля равна до 50
км/час, то сопротивление качения является постоянным.

При скорости больше 100 км/час проявляется сильное увеличение
противодействие качения. Это обусловлено
тратой энергии на колебания и удары, происходящие в резине во время высокой
скорости движения.

Помимо сопротивления, машине приходится
преодолевать еще четыре силы, к которым относятся:

1. Аэродинамика — зависит от скорости
   машины.
2. Инерция — от ускорения автомобиля.
3. Сила тяжести.
4. Сила внутреннего трения агрегата.

Дополнительно автомобилю еще нужна
энергия, которую требуют такие механизмы
как: устройства мультимедийных систем;
кондиционер; управление рулевого усилителя и многие другие.

На одну долю резины в легковом транспортном средстве приходится
потребляемой энергии — 20% или один
полный бак горючего. В большегрузном автомобиле доля больше 30% от общей потребляемой энергии.

Низкое противодействие качения, как некая задача в технологии, состоит в том, что
положено сохранять основные характеристики покрышки, которые напрямую зависят
от безопасности и движения.

Коэффициент данного сопротивления обусловлено
— в кг/т. Например, коэффициент в
12 кг/т говорит о том, что если на покрышку давит вес с тяжестью в тонну, значит потребуется на покрышку включать
силу — в 120 Н, для того чтобы она не потеряла скорость под влиянием
сопротивления качению.

Комплектация покрышки (шины) и ее влияние
на сопротивление качению

Субстанция, из которой изготовлена шина и
ее конструкция, влияют одинаково на сопротивление качению. Даже если брать один
автомобиль, порой эта разница показателя
у покрышек может достигать до 50%.

Комплектация шины:

1. Индекс стремительности шины:

• выполняет требования конструкции;
• усиливает и обеспечивает устойчивость
  курса на высокой скорости;
• повышает сопротивление качения.

2. Параметры шины:

• чем внешний диаметр покрышки больше,
  тем ниже противодействие. Дополнительный любой 1 см уменьшает сопротивление на
  1%.

3. Рисунки на протекторе:

• глубина изображения на протекторе,
  увеличенная на 50% — значит больше сопротивление качения уже на 12%.
• в конце эксплуатации покрышки ее
  сопротивление понижается на 25%, если сравнивать сопротивление с новой
  покрышкой.

4. Сила действия воздуха:

• шина, которая плохо накачена, неравномерно рассредоточивает
  давление на плоскость дороги, что приводит к трансформации формы пятна
  соприкосновения (контакта).

Характеристики дорожной поверхности

1. Температурные показатели окружающей
   среды: увеличение градусных показателей на каждые 10°С — сопротивление, как факт меньше
   на 6%.
2. Разновидности дорожного покрытия: шероховатая поверхность дороги больше
   — сопротивление качению выше, расхождение достигает 40%.

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:

• Во время движения боковины и блоки протектора постоянно деформируются и возвращаются в исходное положение. На такие короткие, но регулярные циклы приходится до 90% потери энергии.
• Также на шину также воздействует аэродинамическое сопротивление, которое отнимает ещё от 0 до 15% энергии.

Как производители снижают сопротивление качению

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

• Облегчают массу шины, без ущерба для её прочности.
• Уменьшают высоту протектора, чтобы снизить деформации блоков во время движения. Но при этом важно сохранить устойчивость шины к аквапланированию и её ресурс.
• Оптимизируют боковину, расположение и форму блоков протектора таким образом, чтобы они меньше деформировались при езде.
• Улучшают состав резиновой смеси за счет специальных добавок и соединений, которые снижают нагрев покрышки и её силу трения.
• Оптимизируют рисунок протектора, чтобы ему оказывалось меньшее аэродинамическое сопротивление.

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.