что это такое, как уменьшить трение колеса

Чтобы колесо автомобиля катилось, ему надо преодолевать четыре силы: силу тяжести, трение о дорожное полотно, сопротивление воздуху и качению. На преодоление этих сил может приходиться до 30% мощности двигателя грузового автомобиля. У легковых авто такие потери меньше, но даже относительно небольшое снижение этого показателя приводит к уменьшению расхода топлива и увеличению пробега на одном баке.

Содержание

• Что такое сопротивление шин качению
• От чего зависит сопротивление качению
• Расчет коэффициента сопротивления качению
• Особенности шин с пониженным сопротивлением качению
• Заключение
• Полезное видео

Что такое сопротивление шин качению

При вращении шина деформируется в пятне контакта с дорожным покрытием, а это приводит к следующим последствиям:

• деформируясь материалы нагреваются, и часть энергии качения рассеивается в виде тепла;
• на восстановление деформации боковин и блоков протектора также расходуется энергия, которая могла бы идти на полезную работу — движение автомобиля;
• увеличивается площадь контакта с покрытием — растет сила трения.

С 2012 г. все шины, продаваемые на территории Евросоюза, обязаны были иметь стикер, на котором цветовой шкалой и буквенной символикой от A (зеленый цвет) до G (красный цвет) указывалась маркировка топливной экономичности. А топливная экономичность каждого класса измерялась коэффициентом сопротивления качению: у шин с маркировкой A он минимальный (RR6.5), у шин с маркировкой G – максимальный (RR12.1).

С мая 2021 года стикер немного изменился, и теперь он содержит не 7, а 5 классов от A до E. И расход топлива между соседними классами по сравнению с предыдущей версией увеличился приблизительно на 0.1 л/100 км.

Справка. Разница расхода топлива легковым автомобилем с шинами первого и последнего класса может составлять до 0.5л/100 км (или 7.5% от общего объема).

Может быть интересно: Слежка за давлением в шинах

От чего зависит сопротивление качению

На качение влияют разные факторы. Значительная часть относится к особенностям самой шины и ее состоянию:

1. Конструкция и материалы. Влияют на степень деформации в пятне контакта и трение с дорожным покрытием.
2. Индекс скорости. Некоторые решения, направленные на повышение курсовой устойчивости, негативно сказываются на экономичности.
3. Сезонность. Зимние шины («липучки») должны обеспечивать максимальное сцепление с мокрой и скользкой дорогой, и они априори не могут быть более экономичными чем летние.
4. Посадочный диаметр и высота профиля. Чем больше общий диаметр колеса, тем ниже сопротивление качению.
5. Рисунок протектора. Мелкий и глубокий рисунок увеличивает аэродинамическое сопротивление покрышки. «Лысые» старые шины катятся лучше, чем новые.
6. Давление. Чем ниже давление в шине, тем выше сопротивление качению.

На качение влияют и внешние факторы. К ним относятся:

1. Тип дорожного покрытия. У бетонки и брусчатки сопротивление больше, чем у асфальта. Мягкая грунтовка немного продавливается и «пылит» под тяжестью автомобиля, что увеличивает расход топлива. На щебенке без битумной пропитки колеса пробуксовывают.
2. Качество дорожного покрытия. Шероховатая структура, ухабы, ямы, колея — все это мешает движению.
3. Температура покрытия. От 10°C до 40°C сопротивление качению снижается, а затем — растет.

Расчет коэффициента сопротивления качению

Сопротивление качению зависит от массы транспортного средства и коэффициента трения с дорожным покрытием. Силу сопротивления в общем виде рассчитывают по простой формуле:
P = Q*f,
где f – коэффициент трения.

Естественно, что коэффициент трения зависит от типа дорожного покрытия и вида движителя. И у машин с эластичными шинами он ниже, чем у тракторов и вездеходов на гусеничном ходу, но выше, чем у рельсового транспорта.

Внимание! Коэффициент сопротивления качению шин можно назвать комплексной условной характеристикой. Он определяется по результатам испытаний в определенных условиях, и его значение указывает какое усилие надо приложить к автомобилю определенной массы, чтобы он продолжал прямолинейное равномерное движение.

Размерность этого коэффициента выражается как enkg/t (кг/т). И если RR=12, то это означает, что на каждую тонну автомобиля надо приложить усилие в 12 кг (приблизительно 120 Н), чтобы преодолеть сопротивление качению.

Полезно почитать: Подбор шин по типоразмеру

Особенности шин с пониженным сопротивлением качению

Для повышения топливной эффективности производители применяют следующие решения:

• увеличивают жесткость конструкции шины, чтобы лучше противостоять деформации боковин;
• уменьшают высоту протектора для снижения сминаемости блоков;
• делают протектор более жестким;
• вводят в состав добавки, повышающие плотность и стабильность резинотехнической смеси;
• облегчают массу покрышки;
• оптимизируют рисунок протектора для уменьшения аэродинамического сопротивления.

Но снижение сопротивления качению не является самоцелью — тестовые испытания «зеленых» шин показывают, что путь торможения у них, как правило, больше, чем у «красных» покрышек. Поэтому важна сбалансированность топливной эффективности и сцепных свойств, экономичности и функциональности.

Осторожно! У большегрузых автомобилей этот вопрос решается проще, чем у легковых авто. Для них, помимо универсальных (U), на каждую ось выпускают свой тип покрышек: рулевые (S —steer), ведущие (D — drive), свободного качения (T —trailer).

Рулевые шины имеют четкие реакции при проведении маневра, ведущие — отвечают за сцепление с дорогой и тормозной путь, свободного качения — имеют минимальный коэффициент сопротивления качению и отвечают за экономию топлива.

Таблица сопротивления качению разных видов шин:

Заключение

Шины с низким коэффициентом сопротивления качению не только экономят для владельца топливо, они имеют больший пробег и уменьшают выброс выхлопных газов. А это в итоге снижает вредное влияние на экологию.

Полезное видео

Сопротивление качению

Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle) Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1] 56287 2 Сопротивление качению зависит от массы автомобиля и коэффициента трения качения. Масса автомобиля при этом оказывает первостепенное влияние на величину сопротивления качению. Большая масса проявляется неблагоприятно в любом случае, если мы стремимся к экономии энергии, то уменьшение массы автомобиля является одной из первостепенных задач. Масса проявляется в виде силы, прижимающей автомобиль к земле. Передвижению препятствует сила, которая зависит от коэффициента трения качения между автомобилем и поверхностью дороги. Здесь имеется возможность экономить определенную энергию. Сила сопротивления качению автомобиля P f рассчитывается по формуле Pf = Q·f, где Q – нормальная нагрузка; f – коэффициент трения качения. Коэффициент сопротивления качению Ниже приведены значения коэффициента f, которые действительны для качения шины колеса по поверхности дороги с различным покрытием и для других движителей: Значения коэффициента трения качения f для различных движителей Покрытие Значение f Колесо с шиной Асфальтобетон 0,01 Бетон, мелкая брусчатка 0,015 Гравийное укатанное с дёгтевой пропиткой 0,02 Щебёночное 0,025 Грунтовое укатанное 0,05 Грунтовое размокшее 0,1 Пахота 0,15-0,35 Гусеничный движитель Пахота 0,07-0,15 Укатанный снег 0,15 Рыхлый снег 0,3 Стальное колесо на рельсе 0,001-0,002 Примечание. Значения первых семи коэффициентов зависят также от давления в шине и ее типа, о чем будет сказано ниже. В приближенных расчетах можно допускать, что коэффициент сопротивления качению с изменением скорости автомобиля не меняется. Наименьшее сопротивление качению имеет стальное колесо на рельсе, наибольшее – гусеничный движитель на рыхлом снегу. Чем меньше деформация поверхности, тем меньше сопротивление качению. Сопротивление качению на неровной дороге При движении по неровной дороге сопротивление качению зависит от жесткости амортизирующего элемента. Наезд колеса на препятствие Если на поверхности дороги возникает препятствие высотой h (см. рис. слева) и автомобиль наезжает на него с малой скоростью, то он может остановиться. На рисунке масса автомобиля представлена грузом М, прикрепленным к оси колеса через пружину F. Предположим, что масса М жестко соединена с осью. В этом случае для преодоления препятствия необходима такая вертикальная сила V, которая способна поднять массу М на высоту h. Эта сила может обеспечиваться, например, кинетической энергией автомобиля при движении. Чтобы автомобиль мог продолжать движение, необходимо, чтобы его кинетическая энергия была большей, чем требуется для поднятия автомобиля на высоту h. Необходимая величина вертикальной силы зависит от угла наезда α и рассчитывается по формуле V = H·tgα. Время подъема определяется скоростью автомобиля, а форма препятствия определяет процесс изменения скорости и ускорения. На вершине твердого препятствия скорость массы М не будет равна нулю, и колесо отскочит от препятствия. Однако гравитационная сила остановит массу М и вернет ее на землю путем свободного падения. Энергия горизонтальной силы Н будет затрачена на перемещение колеса на высоту препятствия, но при отскоке колеса эта сила уже не действует и, следовательно, не влияет на увеличение сопротивления качению автомобиля [2]. Если масса М опирается на пружину F и колесо снабжено упругой шиной, то исчезает необходимость подъема колеса и массы М на высоту препятствия h. При благоприятном отношении неподрессоренной массы колеса и подвески к подрессоренной массе М колесо не отскочит от препятствия, и часть энергии, аккумулированная в сжатой пружине и шине, после преодоления препятствия вернется и передвинет автомобиль вперед. Однако значительная часть энергии за счет внутреннего трения в амортизирующих элементах потеряется, превратившись в теплоту. Достаточно мягкая подвеска колес может уменьшить потери энергии при переезде через неровность. Сопротивление качению на деформируемом покрытии На дороге с хорошим покрытием действует правило: жесткое колесо на твердом, малодеформируемом покрытии обеспечивает наименьшие потери, обусловленные сопротивлением качению. Если неровности имеют большой размер, то увеличение жесткости колеса и амортизирующих элементов вызывает рост сопротивления качению. В этом случае выгодным является использование мягкой шины больших размеров и нежестких амортизаторов. Шина больших размеров с мягкой боковой поверхностью и низким давлением сама амортизирует мелкие неровности, так что и неподрессоренная масса будет испытывать колебания весьма малой амплитуды, которые хорошо гасятся мягкой подвеской. Небольшое давление в шине увеличивает площадь ее контакта с поверхностью дороги, что уменьшает глубину погружения колеса в мягкое покрытие и соответственно образует колею меньшей глубины. Коэффициент трения качения жёсткого колеса на деформируемом покрытии имеет иной характер, чем на твердой поверхности, и определяется по формуле где h – глубина погружения колеса в покрытие, мм; D – диаметр колеса, мм. В этом случае давление воздуха в шине может влиять противоположно тому, как это имеет место на твердом покрытии, поскольку из-за малого погружения колеса в покрытие при низком давлении в шине коэффициент сопротивления качению будет меньше, чем при высоком. После того как автомобиль с такими шинами выйдет с бездорожья на шоссе, в них необходимо увеличить давление, иначе боковые поверхности шин при большом прогибе будут сильно разогреваться. На некоторых автомобилях используется специальное оборудование, позволяющее изменять давление в шинах, не прекращая движения. Последнее обновление 02.03.2012 Опубликовано 05.03.2011 Наверх Читайте также Сноски ↺ Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль/Пер. с чешск. В. Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. — М.: Машиностроение, 1987. — 320 с.: ил.//Стр. 16 — 18 (книга есть в библиотеке сайта). – Прим. icarbio.ru ↺ При последующем контакте колеса с дорогой энергия сопротивления качению проявится в виде части энергии, поглощенной шиной при ударе колеса о поверхность дороги. – Прим. ред. А.Р. Бенедиктова Комментарии

Перетаскивание

Перетаскивание

Перетащить

---

Причина необходимости движения вытекает непосредственно из второго закона Ньютона. Чтобы привести объект в движение, необходима сила тяги, которая создаст неуравновешенную силу, действующую на объект. Чем меньше масса объекта, тем меньшая тяга требуется для достижения заданного начального ускорения. Однако, когда объект движется, его движению противодействует сила сопротивления, поэтому без постоянной силы тяги объект будет замедляться и в конце концов остановится.

Во время крейсерского полета цель силы тяги состоит в том, чтобы сбалансировать силу сопротивления ( F _T = F _D ) так, чтобы чистая сила на объекте была равна нулю, и он двигался со скоростью постоянная скорость (нулевое ускорение). Чем ниже сопротивление объекта, тем меньше сила тяги, необходимая для крейсерского полета.

Сопротивление: Чтобы оценить работу тяги во время круиза, полезно немного узнать о сопротивлении. Для объекта, движущегося по жидкости с постоянной скоростью V (не ускоряясь и не замедляясь), это эквивалентно рассмотрению течения с точки зрения объекта с приближающейся со скоростью жидкости V . Эта ситуация проиллюстрирована ниже для обтекания шара.

Линии потока вокруг шара.

При приближении потока со скоростью V сопротивление — это сила, необходимая для удержания объекта на месте, и определяется по формуле

где ρ — плотность жидкости, A — это «опорная» площадь объекта, V — это скорость жидкости относительно объекта, а C _D известен как коэффициент сопротивления. Базовая площадь A обычно представляет собой площадь поперечного сечения или фронтальной поверхности объекта (p R ² для сферы), но также может представлять собой площадь поверхности (смоченную площадь) или другую репрезентативную площадь, описывающую объект. Обратите внимание, что согласно этой формуле более высокая крейсерская скорость V требует большей силы тяги для противодействия Ф _Д .

Коэффициент сопротивления — это параметр, который зависит от конкретной ситуации, включая геометрию движущегося объекта и свойства жидкости, такие как вязкость.

Обычно C _D для данной ситуации измеряется экспериментально, но в некоторых особых случаях его можно вычислить по формуле. Большой коэффициент сопротивления означает, что объект создает гораздо большее сопротивление (его труднее двигать), чем объект аналогичного размера с низким коэффициентом сопротивления. Таблица из C _D для разных автомобилей приведен ниже.

Форма	Справочная область	Коэффициент аэродинамического сопротивления, C D
Шестивагонный пассажирский поезд.	Передняя часть	1,8
Велосипеды Вертикальный пригородный Гонки Чертеж Обтекаемый	А = 5,5 футов 2 А = 3,9 фута 2 А = 3,9 фута 2 А = 5,0 футов 2	0,88 0,50 0,12
Тягачи с прицепом Стандарт С обтекателем С обтекателем и щелевым уплотнением	Фронтальная область Фронтальная область Фронтальная область	0,96 0,76 0,70
Животные Дельфин Птица	Смачиваемая зона Фронтальная область	0,0036 0,4
Самолеты Дозвуковой транспортный самолет Сверхзвуковой истребитель, М=2,5 Корпус обтекаемой формы (например, подводная лодка)	Фронтальная область Фронтальная область Фронтальная область	0,012 0,016 0,04

Таблица коэффициентов аэродинамического сопротивления для способов транспортировки. Значения от Fundamentals of Fluid Mechanics Мансона, Янга и Окииши и www.engineeringtoolbox.com.

Хотя подробности определения C _D выходят за рамки настоящего обсуждения, стоит отметить, как C _D зависит от двух ключевых факторов: геометрии и вязкости.

Геометрия: C _D сильно зависит от геометрии объекта. В частности, объекты с очень тупой или «квадратной» геометрией имеют большие коэффициенты сопротивления. Это происходит из-за высокого давления жидкости на переднюю часть объекта и низкого давления жидкости на заднюю часть объекта. И наоборот, обтекаемые или веретенообразные объекты имеют низкий коэффициент сопротивления. Из-за зависимости от геометрии этот эффект известен как форма перетаскивания . Чтобы избежать большой силы тяги, желательно свести к минимуму аэродинамическое сопротивление за счет использования фюзеляжа обтекаемой формы.

Обтекаемый сверхскоростной пассажирский экспресс. Скоростной поезд CRh4 Velaro в Китае.

Тупой квадратный автомобиль. Отросток xB

Вязкость: Неудивительно, что повышение вязкости имеет тенденцию к увеличению C D . Для очень вязких жидкостей, таких как мед, C D может быть огромным. Интересно, что для данной жидкости и скорости V меньший объект ведет себя так, как если бы он двигался через более вязкую жидкость, чем более крупный объект. Это связано с эффектом, известным как масштабирование числа Рейнольдса. Для более подробного обсуждения нажмите здесь. Основная идея заключается в том, что по мере уменьшения числа Рейнольдса обтекание объекта ведет себя так, как если бы вязкость увеличивалась. В результате сопротивление объекта имеет тенденцию резко возрастать по мере уменьшения числа Рейнольдса, как показано на диаграмме ниже для C D цилиндра и шара. Следовательно, очень маленькие и очень большие животные, живущие в одной и той же жидкости, используют очень разные механизмы движения, чтобы объяснить различия в C D . Сравните, например, дельфинов, которые используют машущий плавник для движения, и некоторые формы бактерий, которые используют вращающиеся жгутики (структуры, похожие на волосы), чтобы скользить по воде в микромасштабной среде. Точно так же большие и малые машины должны использовать разные стратегии движения, чтобы добиться успеха. Адаптировано из Fundamentals of Fluid Mechanics Мансона, Янга и Окииши.

кишечная палочка. Фото Элизабет Х. Уайт, М.С. Предоставлено библиотекой изображений CDC Public Health.

Пример задачи: падение мяча для гольфа

---

---

Перетаскивание — обучение энергетике

Обучение энергетике

Меню навигации

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

ИНДЕКС

Поиск

Рисунок 1. Автомобили имеют оптимальную форму, чтобы свести к минимуму силу сопротивления, которую они испытывают. На фото выше Volkswagen XL1, самый экономичный серийный автомобиль. XL1 получил это звание благодаря чрезвычайно низкому коэффициенту аэродинамического сопротивления, 0,189, самому низкому из всех серийных автомобилей. ^[1]

Сопротивление — это сила, противодействующая или сопротивляющаяся движению, вызванная столкновениями движущихся объектов с молекулами жидкости, такой как воздух или вода. Это похоже на поверхностное трение, поскольку оба противодействуют движению, но сопротивление возникает именно в движущихся жидкостях. Сопротивление увеличивается, если объект увеличивает свою скорость, имеет большую площадь поперечного сечения или если жидкость, через которую он движется, более плотная. ^[2]

Перетаскивание заставляет предметы падать с разными постоянными скоростями и вызывает потери энергии при транспортировке. Гравитация без сопротивления заставляет все объекты падать одинаково: с ускорением 90,8 м/с ² по направлению к Земле. Следовательно, все объекты должны падать с одинаковой скоростью, независимо от массы, но ясно, что перо падает не так, как кирпич. Сопротивление, действующее на объект, замедляет падающие объекты.

Экспериментально аэродинамические трубы, подобные показанным на рис. 2, упрощают измерение сопротивления.

Эквивалент

Рис. 2. Volkswagen XL1 в аэродинамической трубе, где отчетливо видны его обтекаемые формы. ^[3]

Уравнение силы сопротивления зависит от трех указанных выше факторов и может быть записано как: 92[/математика]

где

• [math]F_{drag}[/math] — сила сопротивления в направлении, противоположном направлению скорости
• [math]C[/math] — коэффициент аэродинамического сопротивления
• [math]\rho[/math] — плотность жидкости (воздух 1,2 кг/м ³ при условиях STP)
• [math]A[/math] — площадь поперечного сечения (см. рис. 2)
• [math]v[/math] — скорость объекта

Это уравнение является приблизительным и работает только для обычных объектов (размером от нескольких миллиметров до нескольких метров) и обычных скоростей (не более несколько метров в секунду), поэтому он не может описать движение очень маленьких объектов, таких как пыль, или очень быстрых объектов, таких как пули. ^[2]

Поток воздуха через ветряную турбину заставляет турбину вращаться из-за столкновения частиц с турбиной. Может показаться странным, что на неподвижный объект может влиять сопротивление воздуха, но сопротивление воздуха возникает, когда между воздухом и объектом существует относительное движение, поэтому его можно рассматривать так, как если бы турбина двигалась сквозь неподвижный ветер. Ветер замедляется при контакте с турбиной, и эти столкновения в сочетании с формой лопастей турбины позволяют ей вращаться, обеспечивая энергию ветра.

Посетите НАСА, чтобы прочитать об аэродинамическом сопротивлении.

Коэффициент аэродинамического сопротивления (C)

Коэффициент аэродинамического сопротивления в уравнении сопротивления является довольно сложным и зависит от различных факторов, таких как перечисленные выше, а также включает вязкость воздуха и степень сжимаемости жидкости. ^[5] Обычно определяется экспериментально, путем измерения объекта в ветрокамере. Для получения более подробной информации о том, как рассчитывается аэродинамическое сопротивление, посетите сайт НАСА. На рисунке 3 ниже показан коэффициент сопротивления [math]C[/math] для различных форм. Обратите внимание, что [math]C[/math] не имеет единиц измерения, и для вычисления силы нужно также умножить на площадь на рисунке.

Рисунок 3. Различные объекты имеют разные коэффициенты сопротивления [math]C[/math]. Эти коэффициенты зависят от формы их площади поперечного сечения и многих других факторов. Один и тот же объект может иметь разную силу сопротивления, как показано здесь. ^[6]

Ссылки

1. ↑ Викимедиа. (2 августа 2016 г.). Volkswagen XL1 [Онлайн], доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Volkswagen_XL1.jpg
2. ↑ ^{2,0 2,1 2.2} Р. Д. Найт, «Перетаскивание» в Физика для ученых и инженеров: стратегический подход, , 3-е изд. Сан-Франциско, США: Pearson Addison-Wesley, 2008, глава 6, раздел 5, стр.