Коэффициент сопротивления качению легкового автомобиля

Коэффициент сопротивления качению

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.

Источник

Преимущества шин с низким сопротивлением качению.

К прочим силам относятся аэродинамическая, которая зависит от скорости автомобиля, сила инерции при ускорении, играющая важную роль в городских условиях движения, сила тяжести при подъеме и силы внутреннего трения автомобиля.

При этом автомобилю также необходима энергия для работы его вспомогательных механизмов и устройств (кондиционера, мультимедийных устройств, усилителя рулевого управления и т. д.).

В легковом автомобиле на долю шины приходится 20% потребляемой энергии, то есть один полный топливный бак из пяти. Для большегрузного автомобиля эта доля может составлять более 30% от общего количества потребляемой энергии.

Сложность технологии «низкого сопротивления качению» заключается в том, что необходимо сохранить на том же уровне основополагающие характеристики шины, а именно те, которые связаны с безопасностью и ходимостью.

Что такое сопротивление качению?

С каждым оборотом колеса шина деформируется под воздействием дорожного полотна. Все усилия, позволяющие делать ускорения, тормозить или проходить повороты прилагаются в пятне контакта.

Деформируясь, материалы, из которых изготовлена шина, нагреваются и рассеивают часть энергии, передаваемой двигателем. Это явление и называется сопротивлением качению.

Коэффициент сопротивления качению выражается в кг/т. Коэффициент в 12 кг/т означает, что, если на шину давит груз в одну тонну, к ней нужно постоянно прилагать силу в 120 Н, чтобы не дать ей возможность потерять скорость под воздействием сопротивления качению.

Факторы, влияющие на сопротивление качению:

Сама шина:

Давление воздуха:

Характеристики дорожного покрытия:

Значительный потенциал снижения выбросов СО2:

Несмотря на то что с момента выпуска на рынок первой зеленой шины в 1992 году она была значительно усовершенствована, а именно сопротивление качению было снижено на 25% или еще на 3 кг/т, возможности достижения более впечатляющих результатов в области сопротивления качению остаются еще очень большими. Исследовательские группы компании Michelin прогнозируют снижение этого показателя примерно на 25% в течение ближайших 10 лет.
Такое снижение имеет исключительную важность, поскольку уменьшение сопротивления качению на 3 кг/т* соответствует экономии топлива порядка 0,21 литра на 100 км (источник: исследование ALD).

Читайте также:  Пункт санитарной обработки автомобилей

* Разница между черной шиной (12 кг/т) и зеленой шиной (9 кг/т).

Достижения компании Michelin в области снижения сопротивления качению

Две революционные новинки: появление радиальной шины в 1946 году и начало использования кремнезема в 1992 году

Источник

Значение коэффициента сопротивления качению при различных условиях движения машины.

Влияние эксплуатационных факторов на тягово-скоростные свойства.

Скорости автомобиля стандартизированы. Нижний предел Максимальной скорости составляет 75 км/ч для полностью нагруженных автомобилей и автопоездов на горизонтальной дороге с твердым покрытием и 30 км час на подъеме крутизной 3%. Максимальная скорость большинства современных грузовых автомобилей 80-100 км/ч, а легковых автомобилей 100-200 км/ч.

Условия, при которых автомобиль должен развивать максимальную скорость, следующие: горизонтальная дорога с твердым покрытием (асфальт, бетон с Fk=0,015-0,05), максимальный преодолеваемый подъем на первой передаче по хорошей дороге в общем случае Imax=0,3-0,5.

Ne Mk
Mk

Также важнейший параметр двигателя – мощность. При повышении мощности улучшаются его динамические свойства, автоматически увеличивается его средняя скорость. Но при этом повышается масса и размеры двигателя, его стоимость, снижается экономичность.

Ne – расчетное значение

Mk – момент двигателя.

Скоростная характеристика двигателя, совмещенная с характеристикой скорости движения автомобиля.

Сила сопротивления воздуха Pw состоит из нескольких составляющих, основной из которых является сила лобового сопротивления. Последняя возникает вследствие того, что при движении автомобиля впереди него создается избыточное давление (подпор) воздуха, а сзади пониженное (в сравнении с атмосферным давлением).

Чем больше разница впереди и сзади автомобиля, тем больше лобовое сопротивление. А разница давлений, в свою очередь, зависит от формы автомобиля и скорости его движения. Произведение k*F характеризуемое обтекаемость, называют фактором обтекаемости; k определяют экспериментально в аэродинамической трубе.

В процессе эксперимента силу Pw и скорость движения воздуха в трубе Va. Из технической документации узнают площадь сечения F, а коэффициент k вычисляют по формуле

Pw = kFva 2

Значение коэффициента сопротивления воздуха k (H*c 2 /m 4 ) для автомобилей разных типов:

При скорости до 40 км/ч сила Pw меньше сопротивление силы качения на асфальтированной дороге, вследствие чего ее не учитывают.

Свыше 100 км/ч сила сопротивления воздуха представляет собой основную составляющую тягового баланса. Чтобы снизить ее на грузовиках устанавливают обтекатели и другие приспособления.

Сила сопротивления качению Pf при движении автомобиля по твердым дорогам обусловлена главным образом гистерезисными потерями, доля которых достигает 90 – 95% общих потерь энергии на качении. К числу других факторов, формирующих силу сопротивления качению, относится проскальзывание шины относительно дороги и сопротивление воздуха.

Колеса автомобиля работают в разных условиях по нагрузке, передаваемому моменту, геометрии и физическому состоянию дороги. Поэтому общую силу сопротивлению качению принято определять по формуле:

fk – коэффициент сопротивления качению

Ga – полный вес автомобиля

a – угол уклона дороги.

На дорогах с твердым покрытием наиболее существенным является характер неисправностей, определяющих деформацию шины и подвески, а, следовательно, и потери энергии.

Значение коэффициента сопротивления качению при различных условиях движения машины.

Сопротивление качению зависит от скорости движения автомобиля: до 50 км/ч оно приблизительно постоянное, а свыше 100 км/ч оно интенсивно растет. Это объясняется резким усилением колебания шины и увеличением затрат энергии на ударах.

При очень больших скоростях впереди колеса деформируется воздушное уплотнение. В теории автомобиля принято несколько эмпирических зависимостей для определения коэффициента сопротивления качению. Одна из них имеет следующий вид.

f – коэффициент сопротивления качению при скорости движения менее 50 км/ч.

Сила Pi является составляющей силы тяжести машины. Она приложена в центре масс автомобиля и направлена параллельно поверхности дороги.

Сила инерции Pj обусловлена неравномерностью поступательного движения автомобиля (Pjп) и вращающихся деталей как двигателя, так и автомобиля. (Pjbp).

Pj = Pj п+ Pjbp

ma – масса автомобиля;

ja – ускорение или замедление в поступательном движении автомобиля.

В пределах изменения скорости движения автомобиля коэффициент сопротивления качению принимают постоянным. Следовательно Pf=const. Постоянной считают и силу Pi. В таком случае:

PY=Pf=Pi=const

Касательная сила на колесах автомобиля Pk в зависимости от скорости движения автомобиля изменяется приблизительно к тому же закону, что и Mk=f(ng), т.е. по внешней характеристике двигателя.

Сила сопротивления воздуха Pw зависит от скорости автомобиля в квадрате. Ее рост начинается со скорости va=0, однако до скорости 40-50 км-ч значение Pw мало.

P
Pk
Pk

С учетом изложенного графическая зависимость суммарной силы сопротивления Pc от скорости будет иметь вид.

Pc`
Pi=Pc
Pw
b
c

Т.к. при любой скорости движения касательная сила тяги Pk равна сумме всех сил сопротивлений, то очевидно, что отрезок ab, заключенной между кривой Pk и кривой суммарного сопротивления Pc при скорости Vaf представляет собой силу Pj, которая затрачивается на ускорение поступательного движения автомобиля.

Точка с пересечением с кривой Pk с линией суммарного сопротивления Pc символизирует равенство этих сил, а следовательно, равномерное движение со скоростью Vamax. Большую скорость автомобиль не может развить, т.к. суммарная сила сопротивления Pc превышает активную силу Pk, а с меньшей скоростью он не может перемещаться, потому что имеет место положительная избыточная активная сила, равная разнице Pk-Pc.

Читайте также:  Оценка автомобиля для наследства в саранске

Если по условиям движения необходимо ехать со скоростью, меньшей Vamax, то водитель должен прикрыть дроссельную заслонку. Тогда снизится момент двигателя Mk и изменится зависимость касательной силы Pk.

Значение скорости va1 движения автомобиля будет соответствовать точке с` пересечения кривых Pk` и Pc.

Если дорожные условия изменились, то кривые суммарной силы сопротивления проходят так, как показано на схеме штриховой линией Pc. Тогда при полностью открытой дроссельной заслонке двигателя скорость автомобиля снижается до значения va2. Максимальное сопротивление, которое автомобиль может преодолеть при установившемся движении по данной дороге, определяется избыточной тяговой силы Pk-Pw. Точка перегиба кривой Pk на графике соответствует скорости vap, при которой автомобиль преодолевает максимальное сопротивление, развивая усилие Pkmax.

При включении низшей передачи касательная сила тяги Pk увеличивается, и автомобиль может преодолеть большие сопротивления.

Источник

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».

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.

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.

Читайте также:  Создание и развитие автомобиля имена

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.

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».

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

Общим недостатком всех ступенчатых коробок передач являются потери времени при переключении отдельных ступеней, а без дифференциала на дороге с большим количеством поворотов автомобиль расходует больше топлива.

Для наполнения цилиндра воздухом необходимо возникновение перепада давлений между цилиндром и внешней средой. Двигатель действует как воздушный насос и на его привод расходуется часть индикаторной мощности двигателя.

Источник

Поделиться с друзьями
Практические советы по железу и огороду
Adblock
detector