12. Сила и мощности сопротивлению движению подвижного состава

Силами сопротивления называются силы, препятствующие движению автомобиля. Эти силы направлены против его движения.

Рис. 3.12. Силы сопротивления движению автомобиля

При движении на подъеме, характеризуемом высотой Нп, длиной проекции Вп на горизонтальную плоскость и углом подъема дороги α, на автомобиль действуют следующие силы сопротивления (рис. 3.12): сила сопротивления качению Рк, равная сумме сил сопротивления качению передних (Рк1) и задних (Рк2) колес, сила сопротивления подъему Рп, сила сопротивления воздуха Рв и сила сопротивления разгону Ри. Силы сопротивления качению и подъему связаны с особенностями дороги. Сумма этих сил называется силой сопротивления дороги Рд.

Сила сопротивления качению

Возникновение силы сопротивления качению при движении обусловлено потерями энергии на внутреннее трение в шинах, поверхностное трение шин о дорогу и образование колеи (на деформируемых дорогах).

О потерях энергии на внутреннее трение в шине можно судить по рис. 3.13, на котором приведена зависимость между вертикальной нагрузкой на колесо и деформацией шины — ее прогибом fш.

При движении колеса по неровной поверхности шина, испытывая действие переменной нагрузки, деформируется. Линия Оа, которая соответствует возрастанию нагрузки, деформирующей шину, не совпадает с линией аО, отвечающей снятию нагрузки. Площадь области, заключенной между указанными кривыми, характеризует потери энергии на внутреннее трение между отдельными частями шины (протектор, каркас, слои корда и др.).

Потери энергии на трение в шине называются гистерезисом, а линия ОаО — петлей гистерезиса.

Потери на трение в шине необратимы, так как при деформации она нагревается и из нее выделяется теплота, которая рассеивается в окружающую среду. Энергия, затрачиваемая на деформацию шины, не возвращается полностью при последующем восстановлении ее формы.

При движении на подъеме и спуске сила сопротивления качению уменьшается по сравнению с Рк на горизонтальной дороге, и тем значительнее, чем они круче. Для этого случая движения сила сопротивления качению

Рк = f Gcosα ,

где α — угол подъема, °.

Зная силу сопротивления качению, можно определить мощность, кВт, затрачиваемую на преодоление этого сопротивления:

Nк =(v f Gcosα)/1000 ,

где v — скорость автомобиля, м/с.

Для горизонтальной дороги cos 0° = 1 и

Nк =(vPк)/1000 = (v f G)/1000 .

Зависимости силы сопротивления качению Рк и мощности Nк от скорости автомобиля v показаны на рис. 3.14.

13. Коэффицент сопротивления качению и его зависимость от различных факторов

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.