Коэффициент сопротивления качению

Коэффициент сопротивления качению существенно влияет на потери энергии при движении автомобиля. Он зависит от многих конструктивных и эксплуатационных факторов и определяется экспериментально. Его средние значения для различных дорог при нормальном давлении воздуха в шине составляют 0,01...0,1.

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

f = (115+ v)/10000

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

Песок...................................................................... 0,1...0,3

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.

Сила сопротивления подъему

Вес автомобиля, который движется на подъеме, можно разло­жить на две составляющие (см. рис. 3.12): параллельную и перпен­дикулярную поверхности дороги. Составляющая силы тяжести, параллельная поверхности дороги, представляет собой силу со­противления подъему, Н:

Р _п= G sin α,

где G — вес автомобиля, Н; α — угол подъема, °.

Рис. 3.16. Зависимости силы сопро­тивления подъему Р _пи мощности N _п, необходимой для его преодоле­ния, от скорости автомобиля

В качестве характеристики кру­тизны подъема наряду с углом α используют величину i, называе­мую уклоном и равную i = Н _п/ B _п , где Н _п — высота подъема; В _п — длина его проекции на горизон­тальную плоскость. Сила сопротивления подъему может быть направлена как в сто­рону движения, так и против него. В процессе подъема она дей­ствует в направлении, противоположном движению, и является силой сопротивления движению. При спуске эта сила, направлен­ная в сторону движения, становится движущей.

Зная силу сопротивления подъему, можно определить мощ­ность, кВт, необходимую для преодоления этого сопротивления:

,

где v — скорость автомобиля, м/с.

Зависимости силы сопротивления подъему Р _пи мощности N _п,необходимой для преодоления этого сопротивления, от скорости автомобиля v приведены на рис. 3.16.

Сила сопротивления дороги

Сила сопротивления дороги представляет собой сумму сил со­противления качению и сопротивления подъему:

Р _д = Р _к + Р _п

ИЛИ

Р _д = f G cos α+ G sin α= G (f cos α + sin α).

Выражение в скобках, характеризующее дорогу в общем слу­чае, называется коэффициентом сопротивления дороги:

ψ = f cos α + sin α.

При малых углах подъема (не превышающих 5°), характерных для большинства автомобильных дорог с твердым покрытием, ко­эффициент сопротивления дороги

 

ψ = f + i.

Рис. 3.17. Зависимости силы сопро­тивления дороги Р _ди мощности N _д , затрачиваемой на его преодоление, от скорости автомобиля

Сила сопротивления дороги в этом случае

Р _д = ψ G.

Зная силу сопротивления доро­ги, можно определить мощность, кВт, необходимую для его преодо­ления:

,

где скорость автомобиля v выражена в м/с, вес G – в Н, мощ­ность N _д — в кВт.

Зависимости силы сопротивления дороги Р _ди мощности N _д, затрачиваемой на его преодоление, от скорости автомобиля v представлены на рис. 3.17.

Сила сопротивления воздуха

При движении действие силы сопротивления воздуха обуслов­лено перемещением частиц воздуха и их трением о поверхность автомобиля. Если он движется при отсутствии ветра, то сила со­противления воздуха, Н:

Р _в= k _в F _а v ²,

тогда как при наличии ветра

Р _в= k _в F _а(v ± v _в)²,

где k _в — коэффициент сопротивления воздуха (коэффициент об­текаемости), Н·с²/м⁴; F _a— лобовая площадь автомобиля, м²; v — скорость автомобиля, м/с; v _в — скорость ветра, м/с (знак «+» со­ответствует встречному ветру, знак «–» — попутному).

Коэффициент сопротивления воздуха, зависящий от формы и качества поверхности автомобиля, определяется эксперимен­тально при продувке в аэродинамической трубе.

Коэффициент сопротивления воздуха, Н·с²/м⁴, составляет 0,2...0,35 для легковых автомобилей, 0,35...0,4 — для автобусов и 0,6...0,7 — для грузовых автомобилей. При наличии прицепов со­противление воздуха увеличивается, так как возрастает наружная поверхность трения и возникают завихрения воздуха между тяга-

 

Рис. 3.18. Площади лобового сопротивления легкового (а) и грузового

(б) автомобилей

чом и прицепами. При этом каждый прицеп вызывает увеличение коэффициента k _вв среднем на 15...25 %.

Лобовая площадь автомобиля зависит от его типа (рис. 3.18). Ее приближенное значение, м², можно вычислить по следующим фор­мулам:

F _a= BH _a— для грузовых автомобилей и автобусов;

F_a = 0,78 B _a H _a— для легковых автомобилей,

где В — колея колес автомобиля, м; Н _а — наибольшая высота автомобиля, м; В _а — наибольшая ширина автомобиля, м.

Мощность, кВт, затрачиваемая на преодоление сопротивле­ния воздуха:

– при отсутствии ветра;

– при отсутствии ветра.

Зависимости силы сопротивления воздуха Р _ви мощности N _в,необхо­димой для преодоления этого сопро­тивления, от скорости автомобиля v приведены на рис. 3.19.

Рис. 3.19. Зависимости силы сопротивле­ния воздуха Р _ви мощности N _в ,необхо­димой для преодоления этого сопротив­ления, от скорости автомобиля

Сила сопротивления разгону

Сила сопротивления разгону воз­никает вследствие затрат энергии на раскручивание вращающихся частей двигателя и трансмиссии, а также колес при движении автомобиля с ускорением.

Сила сопротивления разгону, Н:

,

Рис. 3.20. Зависимости силы сопротивления разгону Р ии мощности N и ,необходимой для преодоления этого сопро­тивления, от скорости авто­мобиля

где G — вес автомобиля, Н; g — ус­корение силы тяжести, м/с²; δ_вр — коэффициент учета вращающихся масс автомобиля; j — ускорение ав­томобиля, м/с².

Мощность, кВт, затрачиваемая на разгон:

Зависимости силы сопротивления разгону Р _ии мощности N _и,необходимой для преодоления этого сопротивления, от скорости автомобиля v представлены на рис. 3.20.