Сила сопротивления качению колеса

Сопротивление качению колеса

Основной показатель работы ведомого колеса — сопротивление качению. Рассмотрим общий случай равномерного качения ведомого колеса по горизонтальной поверхности: шина эластичная, поверхность качения деформируемая. В этом случае энергия, сообщаемая колесу, затрачивается на выполнение трех видов работ, составляющих общую работу сопротивления качению колеса:

  • 1) вертикальное прессование почвы и образование уплотненного следа (колеи);
  • 2) упругая деформация шины, вызывающая внутреннее трение в материале шины;
  • 3) трение протектора шины о поверхность дороги в пятне контакта.

Исходя из этого уравнение баланса сил сопротивления качению колеса имеет следующий вид:

где — силы сопротивления качению колеса от деформации почвы, деформации шины и трения упругого скольжения соответственно.

Сопротивление качению колеса от деформации почвы, сила Pf n. Рассмотрим качение колеса с жестким цилиндрическим ободом. Тогда силы Р/Ши Pj-Tp действовать не будут. Примем, что упругость почвы выражена слабо и ее можно без большой погрешности не учитывать. Грунт проявляет главным образом пластические свойства. Для определения силы сопротивления прессованию почвы найдем работу, совершаемую толкающей силой Fn (рис. 13).

При отсутствии других сил сопротивления качению колеса (Р/ш и PfTр), кроме силы сопротивления прессованию почвы Р^П, работа на перемещение колеса из положения I в положение II будет равна произведению Fnl. Допустим, что эта работа по уплотнению почвы

Рис. 13. Схема сил и реакций, возникающих при движении ведомого колеса с жестким ободом по сминаемой поверхности

колесом равна работе по уплотнению почвы жестким штампом с площадью Fs = Ьш1, равной площади следа от колеса. Примем, что штамп, как и колесо, создает равномерное давление, равное давлению колеса в точке В. Тогда

где GHhK — работа штампа.

Учитывая, что , запишем

Заменим величину qm ее выражением из формулы (1), учитывая допущение о линейной зависимости деформации почвы от давления, когда показатель степени п = 1. Тогда

Анализируя это выражение, можно отметить, что сила сопротивления зависит от свойств почвы, характеризуемых коэффициентом объемного сжатия, от ширины обода колеса и в наибольшей степени — от глубины колеи, в зависимости от которой сила изменяется в квадрате.

Сопротивление качению колеса от деформации шины, сила Этот случай рассмотрим на примере качения колеса с эластичным ободом по недеформируемой поверхности. Это позволяет исключить из рассмотрения силу Pf n. Трение протектора с почвой в расчет не принимаем.

Упругая деформация шины, возникающая от действующих на движущееся колесо сил, сопровождается внутренним трением между частицами материала, из которого изготовлена шина. Поэтому при одной и той же деформации шины (например, /?’) требуется большая сила б» на деформирование, а при восстановлении ее геометрической формы, когда нагрузку снимают, упругая сила шины б’ — меньше

зз

(рис. 14). При одной и той же силе, например G», деформация сжатия меньше /^, а деформация восстановления — больше. Разность сил сжатия и восстановления шины затрачивается на преодоление внутреннего трения между частицами резины.

Рис. 14. Зависимость нормального прогиба шины Лн от нагрузки GH при различном давлении воздуха pw в шине:

  • 1 —pw = 0; 2 — pw = 0,35 МПа; 3 — pw = 0,5 МПа;
  • — при увеличении силы GH (нагружение шины);
  • — — — при снижении силы GH (снятие нагрузки)

Потери на внутреннее трение в материале, превращаемые в тепло, принято называть гистерезисными, а их графическое отображение — петлей гистерезиса. Площадь петли гистерезиса численно равна работе, затраченной на преодоление внутренних сил трения материала шины. Так как деформация шины и внутреннее трение материала происходят непрерывно в процессе движения машины, то шина нагревается до определенной температуры. Когда наступает баланс теплоты, подводимой и отводимой в окружающую среду, тепловой режим шины стабилизируется и ее температура не повышается.

Объемная деформация шины при работе колеса, изменение ее геометрических форм, особенности конструкции каркаса, а также ряд других факторов не поддаются аналитическому описанию для расчетов сил внутреннего трения с необходимой точностью. Поэтому формулы для определения сил деформации шины основаны на использовании экспериментальных данных. Силу сопротивления качению, зависящую от гистерезисных потерь, можно определить, пользуясь следующей зависимостью:

где кш — безразмерный коэффициент, зависящий от материала шины, конструкции ее каркаса и других факторов; DK — диаметр колеса.

Из выражения (9) видно, что главными факторами, определяющими силу Pf ш, являются вертикальная нагрузка, нормальная деформация шины, характеристика ее материала и размеры.

Сопротивление качению колеса от трения протектора о поверхность качения, сила ^/тр* Трение протектора об опорную поверхность происходит вследствие того, что при нормальной деформации шины дуга ЛВС обращается в хорду ADC (рис. 15, с). Сокращение длины дуги до длины хорды сопровождается скольжением (трением) протектора относительно опорной поверхности.

Вначале рассмотрим схему сил и реакций, возникающих под действием нормальной силы GH в пятне контакта неподвижного колеса с опорной поверхностью.

Нормальные реакции в продольной плоскости неподвижного колеса. Эпюра нормальных элементарных реакций qm (рис. 15, б) опорной поверхности в пятне контакта зависит от величины нормальной деформации шины hH (см. рис. 15, а). При малой деформации характер изменения нормальных элементарных реакций близок к параболическому виду (см. рис. 15, б, штриховая линия). Элементарные реакции в каждой точке пропорциональны деформации шины.

Большая деформация вызывает некоторое «отжатие» протектора от опорной поверхности в средней части пятна контакта. Это происходит потому, что при нормальном прогибе, когда дуга АВС сокращается до длины хорды ADC, периферийные точки в пятне контакта стремятся переместиться от точек А и С к центру. В точке D достигается наибольшая деформация сжатия, которая вызывает «отжатие» протектора от опорной поверхности. Вследствие этого эпюра нормальных реакций qm по длине контакта принимает вид, представленный на рис. 15, б, с прогибом в средней части. Чем больше нормальная деформация шины, тем больше длина и глубина прогиба на эпюре нормальных реакций.

Нормальные реакции в поперечной плоскости неподвижного колеса. В поперечной плоскости эпюра нормальных элементарных реакций qHy (рис. 15, в) опорной поверхности на протектор аналогична эпюре элементарных реакций в продольной плоскости. Протектор шины имеет наименьшую толщину в центральной части и наибольшую — под боковинами. Поэтому центральная часть обладает меньшей радиальной и изгибной жесткостью, а в плечевых зонах — большей. Распределение элементарных реакций опоры соответствует распределению жесткости беговой дорожки по ширине шины. Чем больше разница между жесткостью боковин и протектора, тем более явно будет выражен прогиб графика в центральной части эпюры нормальных реакций опорной поверхности.

Рис. 15. Эпюра нормальных элементарных реакций и касательных сил в пятне контакта неподвижного колеса с дорогой: а — схема нормальной деформации неподвижного колеса; б — эпюра нормальных реакций qlvc опорной поверхности в продольной плоскости при малой (—)

и при высокой (-) нагрузке GH соответственно; в — эпюра нормальных реакций qHV

опорной поверхности и схема элементарных касательных сил qzy в поперечной плоскости шины; г— эпюра элементарных касательных сил qxx в продольной плоскости; д — эпюра сил трения в продольной плоскости

Таким образом, пространственная картина эпюры нормальных реакций в пятне контакта шины низкого давления (тракторной) с дорогой представляет собой вогнутую удлиненную поверхность. Величина прогиба протектора зависит от давления воздуха в шине. У шин высокого давления такой прогиб незначителен или его совсем нет.

Касательные силы и силы трения в пятне контакта неподвижного колеса с дорогой. При обращении дуги АВС в хорду ADC под действием нормальной силы смещение элементов беговой дорожки протектора происходит от периферии (точек А и С) к центру (точка D). Поэтому элементарные касательные силы qw создающие деформацию сжатия протектора, также направлены от периферии к точке D навстречу друг другу, т.е. в противоположные стороны (см. рис. 15, в). Это определяет их разный знак. Теоретически максимальные значения элементарных касательных сил находятся в зоне точки D, подверженной наиболее длительному силовому воздействию и наибольшей деформации, а минимальные — ближе к периферии, к точкам А и С. Если принять закон их изменения линейным на длине пятна контакта AD и CD, то эпюра элементарных касательных сил будет иметь вид двух треугольников, как показано на рис. 15, г.

Элементарные касательные силы qте, возникающие в продольной плоскости колеса вследствие деформации шины, стремятся вызвать проскальзывание отдельных элементов протектора относительно опорной поверхности, преодолевая силы трения, возникающие под действием нормальных реакций опорной поверхности на протектор. Элементарные силы трения в пятне контакта f пропорциональны произведению коэффициента трения щ. и элементарных нормальных реакций опорной поверхности q^:

С учетом того, что распределение qHX по длине пятна контакта неравномерное (см. рис. 15, б), эпюра сил трениятакже будет отличаться от эпюры касательных сил q^ (см. рис. 15, г). Примерная картина распределения f представлена на рисунке 15, д.

Под действием вертикальной нагрузки элементы протектора проскальзывают относительно опорной поверхности от периферии (точки А и С) по направлению к середине (точка D), а при восстановлении формы под действием упругих сил — от центра (точка D) к точкам А и С. Если касательные силы превосходят силы трения:

то при колебаниях колеса в вертикальной плоскости в элементах пятна контакта шины с опорной поверхностью возникает знакопеременное проскальзывание, которое порождает работу трения, затрачиваемую на износ шины, даже при неподвижно стоящем на одном месте колесе.

В поперечном направлении, вследствие нормальной деформации неподвижного колеса, происходят процессы, аналогичные тем, что происходят в продольном направлении. Они также сопровождаются проскальзыванием (элементарные силы qHy и qxy, см. рис. 15, в) протектора относительно опорной поверхности и возникновением работы трения в дополнение к работе трения от проскальзывания протектора в продольном направлении.

Ведомое колесо в режиме движения. Схема сил, действующих на ведомое колесо, и эпюры распределения напряжений в продольной плоскости пятна контакта протектора с дорогой представлены на рис. 16.

Процесс взаимодействия протектора катящегося ведомого колеса с дорогой отличается от аналогичного процесса неподвижного колеса тем, что эпюра нормальных реакций под движущимся колесом не симметрична относительно вертикальной оси, проходящей через центр колеса (рис. 16, б). Это объясняется следующим. Давление в передней (сжимаемой нормальной силой GH) части шины катящегося колеса больше, а в задней (восстанавливающейся под действием упругих сил самой шины) — меньше вследствие гистерезисных потерь (см. рис. 14) энергии на внутреннее трение в материале шины, т.е. в резине. При восстановлении формы профиля шины накопленная потенциальная энергия упругой деформации частично затрачивается на трение в материале шины и трение в контакте с дорогой, а остальная — переходит в кинетическую энергию движущегося колеса, потому что элементы профиля шины, стремящиеся принять свою равновесную форму, оказывают давление на дорогу и, отталкиваясь от нее, создают момент, действующий в сторону качения колеса. На эпюре (см. рис. 16, б) элементарные нормальные реакции дороги слева и справа от линии их разграничения имеют разный знак, потому что в набегающей части нормальные реакции создают сопротивление качению, а в задней части — активный ведущий момент.

Граница, разделяющая заднюю часть колеса с набегающей, проходит через центр давления — точку приложения реакции Y. Центр давления расположен на ординате, которая делит на две равные части площадь эпюры распределения нормальных элементарных реакций дороги. У катящегося колеса эта ордината смещена вперед (см. рис. 16, б) по направлению движения колеса на величину ап по сравнению с положением центра давления неподвижного колеса (см. рис. 15, а). Величина смещения центра давления относительно оси симметрии колеса зависит от величины нормальной деформации шины. Чем больше деформация, тем больше ап. В соответствии с/^ = рт qm элементарные силы

Рис. 16. Эпюра нормальных реакций и касательных сил в пятне контакта ведомого колеса с дорогой: а — схема нормальной деформации катящегося колеса; б — эпюра элементарных нормальных реакций qHX опорной поверхности в продольной плоскости; в — эпюра элементарных касательных сил qxx в продольной плоскости; г — эпюра касательных сил от реакции опорной поверхности Хп,д — эпюра сил трения в продольной плоскости

трения также должны быть больше в набегающей части пятна контакта, чем в задней (рис. 16, в).

Следующее отличие в процессе качения ведомого колеса от взаимодействия неподвижного колеса с опорной поверхностью возникает вследствие действия касательной реакции Хи в пятне контакта (см. рис. 16, а). Деформация шины, а следовательно, и величина элементарных касательных сил q^ от действия реакции Хп нарастает от входа протектора в контакт с дорогой (точка С) к выходу из этого контакта (точка А). Если принять этот закон линейным, то эпюра элементарных касательных сил q^ примет вид, изображенный на рис. 16, д.

Распределение элементарных сил тренияи их суммарная эпюра (см. рис. 16, д) зависят от параметров шины, характера опорной поверхности и режима качения колеса. Эти факторы определяют соотношение между элементарными силами тренияот деформации шины и/мЛ от реакции дороги Хп Следует также учитывать, что направление действия силfpR одинаковое по всей длине пятна контакта, а направление сил f разное слева и справа от их разделительной линии. Это значит, что с одной стороны разделительной линии f и /мЛ должны складываться, а с другой — вычитаться. Кроме того, силы трения./^, изменяют знак на противоположный при деформировании шины под действием силы GH и при восстановлении ее формы под действием упругих сил.

В зависимости от совокупности всех перечисленных факторов суммарная эпюра элементарных сил трения^ может в большей

или меньшей мере отличаться от эпюры сил, представленной на рис. 16, д, а также от эпюры на рис. 16, в.

Элементарные касательные силы и силы трения в поперечной плоскости распределяются примерно так же, как у неподвижного колеса. Поэтому их не рассматривают.

Профессор Г.Н. Шепеленко предложил выражение для определения силы Pf сопротивления качению ведомого колеса, возникающей вследствие трения проскальзывания протектора относительно дороги, вызываемого нормальной деформацией шины:

где Щ-р — коэффициент трения протектора о дорогу; Gn — нормальная нагрузка на колесо; hH — нормальная деформация шины; DK — диаметр шины.

Из выражения (10) видно, что сила трения в пятне контакта протектора с дорогой прямо пропорциональна сцеплению шины с дорогой, осевой нагрузке и относительной деформации шины hH/DK.

Заключение. В заключение следует еще раз подчеркнуть, что сопротивление качению колеса вызывает несколько разных сил и реакций,

действующих на колесо. В зависимости от условий работы эти силы и реакции отличаются между собой по месту приложения, характеру и направлению действия. Поэтому в общем случае качения колеса единой физической силы сопротивления качению не существует. В качестве таковой принимают условную силу, равную по значению и противоположную по направлению активной толкающей (тянущей) силе, необходимой для преодоления всех сил сопротивления, возникающих при качении данного колеса в конкретных условиях. Точкой приложения этой силы принимают точку приложения результирующей элементарных реакций опорной поверхности (см. следующий параграф).

Сопротивление качению шины — что это и от чего зависит

Мало кто из автомобилистов уделял должное внимание такой характеристике покрышек, как сопротивление качению шины. А зря. Автомобильная резина настолько сложный технический элемент, что от неё зависит не только проходимость и безопасность при вождении, но и экономия топлива. В этом случае, выигрывают и автовладельцы, и природозащитники, так как сокращение выхлопных газов приводит к меньшей степени антропогенного загрязнения окружающей среды.

Что такое сопротивление качению шины

Чтобы коротко и доходчиво объяснить, что такое сопротивление качению колеса, необходимо представить покрышку в пятне контакта с автодорогой. В этом месте, резина расширяется под нагрузкой машины. В совокупности с инерцией движения автомобиля, резина нагревается и растрачивает часть энергии, передаваемой от мотора, это явление и получило название — сопротивление качению шины. Оно измеряется по формуле Pf = Q х f, где «Q» – обычная нагрузка авто, а «f» коэффициент трения качения.

Для каждого дорожного покрытия, коэффициент «f» имеет своё значение, например, для асфальтобетона 0,01, а для щебёночного покрытия 0,025. Всего используется 6 значений «f» для расчёта формулы колёсной технике. Все значения и наименование покрытий, можно найти в соответствующей таблице.

Каким нагрузкам подвержена шина

В движение, автошина подвержена многочисленным нагрузкам и деформациям. Все они влияют на степень сопротивления качения шины. К таким нагрузкам относятся:

  • аэродинамика кузова машины;
  • инерция автомобиля;
  • вес транспортного средства;
  • состояние амортизаторов и повестки;
  • тип привода авто.

Если автомобиль наезжает на неровность при малой скорости, то он способен остановиться. Чтобы создать кинетическую энергию для преодоления препятствия, необходимо обеспечить машине более высокую скорость, а это дополнительная энергия от ДВС.

От чего зависит сопротивление качению

Степень явления сопротивления качения шины, зависит от множества факторов. Среди самых известных можно выделить такие, как:

  • Конструкция колеса. Именно состав каучука и дополнительных материалов, влияет на степень сопротивления качения резины. Например, один и тот же автомобиль с покрышками разной конструкции и мягкости, может обеспечить расхождение до ½ в показателях;
  • Коэффициент скорости покрышки. Чтобы обеспечить колесу заявленные характеристики на определённых скоростях, конструкция шин может иметь различные усиления. Все они оказывают влияние на твёрдость изделия, что понижает сопротивление качения;
  • Габарит колеса. Большое колесо имеет меньшее сопротивление качению. С каждым дополнительным 1 см радиуса, степень сопротивления снижается на 1%;
  • Тип протектора. Чем глубже канавки протектора, тем выше сопротивление. Например, увеличенная глубина на 50%, обеспечивает дополнительные 12% сопротивления. К окончанию ресурса колеса, степень качения ухудшается на 25 %, в соотношении с новой покрышкой;
  • Давление в баллонах. Слабо накаченная шина, обеспечивает неравномерное пятно контакта. Увеличивается амплитуда деформаций, что приводит к дополнительному нагреву и как следствие, потери энергии. В совокупности, это увеличивает степень качения колеса.
  • Тип дорожного полотна и его температура. Чем ровнее дорога, тем ниже резина подвержена сопротивлению. Чем выше температура окружающей среды и дорожного покрытия, тем меньше степень сопротивления. С каждым 10-градусным шагом в сторону повышения, качение уменьшается на 6 %.

Особенности экошин

В свете продолжающейся борьбы за экологию, многие производители шин примкнули к движению защитников окружающей среды. Это проявилось в разработке «зелёных» покрышек, выпускаемых с 1992 года. Постепенно, характеристики колёс повышаются. Смысл «зелёных» покрышек в том, что «обутый» автомобиль в резину с пониженным сопротивлением качению расходует меньше топлива, примерно на 20 %. Таким образом, в атмосферу попадает меньшее число вредных веществ, содержащихся в выхлопных газах.

Согласно исследованиям, каждые 45 000 пробега на шинах с низким сопротивлением качению, владельцы экономят сумму, равную ¼ от стоимости всего комплекта колёс. Кроме экономии, водители меньше загрязняют воздух, внося личный вклад в экологию, заботясь о своём потомстве. Чтобы информировать покупателя, производитель наносит на боковой профиль резины соответствующие маркировки: Green X или Reduces CO2.

Купить шины 195 60 15 летние в Краснодаре.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *