Одним з головних вимог, що пред'являються до шин легкових автомобілів і пов'язаних з паливною економічністю, є найменше значення коефіцієнта опору коченню. Крім того, шини повинні мати гарну стійкість і керованість, не допускати занесення автомобіля при відхиленнях колеса від напрямку руху.
Втрата контакту з поверхнею дороги настає при наявності на ній значного прошарку води. В цьому випадку виникає ефект рідинного тертя, подібного тертю в підшипнику, і шина ковзає по воді. За допомогою відповідного малюнка протектора можна забезпечити відведення води в сторону, щоб в контакті шини з поверхнею дороги не утворювався шар води, на якому шина втрачає керованість і виникає небезпечний ефект «аквапланування».
Шини із зношеним протектором набагато небезпечніше з точки зору вищевикладеного ефекту, ніж нові. Залежність коефіцієнта зчеплення від швидкості автомобіля і товщини шару води для нових і зношених шин показана на рис. 1. При падінні коефіцієнта зчеплення нижче 0,05 автомобіль стає некерованим.
Залежність коефіцієнта зчеплення φсц від швидкості автомобіля v і товщини шару води на поверхні дорожнього покриття: а - нова шина; б - зношена шина без протектора.
З точки зору плавності ходу автомобіля і усунення шуму в кабіні, шина повинна поглинати невеликі нерівності дороги і не передавати викликані ними вібрації на кузов. Це вимагає, перш за все, збільшення податливості боковини шини, але лише до такої міри, щоб не допустити втрати керованості автомобіля. Жорсткість боковини впливає на бічне відведення колеса, що виникає при наявності осьової сили, що діє в площині, перпендикулярній осі обертання колеса.
Жорсткість боковин шини визначає її конструкція, і перш за все спосіб накладення корду. На рис. 2 зображені різні типи шин: а діагональна з укладанням шарів корду під кутом; б радіальна з укладанням шарів корду по радіусу шини з армуючими шарами під протектором; в діагональна поліпшеного типу з армуючими шарами під протектором.
Способи укладання шарів корду шин.
Прогрес в області шин спрямований на створення все більш низькопрофільних шин, що мають менші втрати на кочення і кращі показники стійкості і керованості. Профіль шини оцінюється процентним відношенням його висоти до ширини. На рис. 3 показані перетину шин серій «80» - «40». Найбільш широко застосовується серія «70», а серія «40», наприклад, призначена вже тільки для гоночних автомобілів.
Перетину шин серій «80» - «40».
Оскільки передавальне відношення трансмісій автомобіля розраховують з урахуванням діаметра колеса, то і при використанні низкопрофильной шини цей діаметр повинен бути збережений незмінним. Для цього шина повинна монтуватися на обід більшого діаметра. Це має свої позитивні сторони: наприклад, можна збільшити ширину і діаметр гальм, що поліпшить їх охолодження. Однак маса колеса збільшиться, якщо не застосувати для його виготовлення легкі сплави.
Зазвичай використовується припущення, що коефіцієнт опору коченню не залежить від швидкості руху. Насправді це не так, оскільки конструкція, технологія виготовлення або матеріал шин впливають на зміну цього коефіцієнта, особливо при великих швидкостях руху. На рис. 4 наведені реальні значення коефіцієнта опору коченню, виміряні у шин італійської фірми «Піреллі» серій «80» - «50».
Залежність опору коченню шин f від швидкості автомобіля v.
При високих швидкостях чітко проявляється перевага низькопрофільних шин серій «60» і «50». Наприклад, шина HR / 60 на швидкості 160 км / год має опір коченню на 26% менше, ніж шина SR / 80.
Середнє питомий тиск в площі контакту у шини з пружною боковиной приблизно дорівнює тиску повітря в шині. Тому як широка, так і вузька шини однаково навантаженого колеса будуть мати рівний розмір площі контакту з поверхнею дороги. Однак форми поверхні контакту будуть різними. На рис. 5 показані два колеса з шинами різної ширини і їх відбитки. Площа обох відбитків однакова, але у більш широкій шини він розтягнутий по ширині, у менш широкої - по довжині. Як зображено на бічній проекції колеса, деформація широкої шини hs менше, ніж вузької hu. Це є причиною меншого занурення колеса в м'яке покриття і, отже, меншого коефіцієнта опору коченню. Дане правило діє і на твердому покритті, так як змінюється кут наїзду α, утворений між дотичною до кола колеса і поверхнею дороги в місці контакту її з колесом. Коефіцієнт опору коченню вимірюється при коченні колеса по рівному покриттю, що має більшу жорсткість, що моделює кочення еластичного колеса по твердому покриттю і приблизно відповідає умовам кочення шини по дорозі з асфальтовим або бетонним покриттям [2]. В цьому випадку можна знехтувати впливом деформації дорожнього покриття, і деформація колеса буде протікати таким чином, як показано на рис. 6. При статичному навантаженні деформація симетрична, а рівнодіюча сил проходить через центр ваги відбитка.
Поверхні контакту вузькою та широкою шин з дорожнім покриттям.
Колесо являє собою пневматичну пружину з високопрогрессівной характеристикою. Характеристику цієї пружини можна отримати шляхом навантаження колеса і вимірювання положення його центра ваги в залежності від величини навантаження. При обертанні шини кожну елементарну площадку на її окружності можна вважати самостійною, попередньо стислою пружиною. Додаткове стиснення цих парціальних пружин при контакті з дорогою вимагає витрати роботи, яка збільшує опір коченню шини. При виході з контакту цих пружин після досягнення максимального стиснення в середньому положенні енергія, акумульована в них, вивільняється, і сила діє в напрямку руху, зменшуючи опір коченню. Для ідеальної шини вкладена енергія була б дорівнює енергії вивільненої, і колесо котилося б без втрат.
Розподіл тиску p на поверхні контакту шини з дорожнім покриттям.
Однак шина забезпечена реальним протектором і, крім того, в ній є внутрішнє тертя. При деформації протектора, крім сили, необхідної для стиснення пневматичної пружини, потрібна сила для додання прискорення парціальної масі. Наявність внутрішнього тертя викликає витрата ще частини енергії на розігрів шини. Отже, в першій половині циклу зіткнення шини з дорогою має бути розвинене зусилля, достатнє для стиснення пружини, додання прискорення масі протектора і подолання внутрішнього тертя. Проте в другій половині циклу вся сила стиснення пружини не буде він випущений, так як частина її піде на надання зворотного прискорення масі і на подолання внутрішнього тертя. При обертанні колеса на масу протектора впливає також відцентрова сила. Розподіл питомих тисків по площі відбитка буде тому нерівномірним.
Рівнодіюча всіх сил розташована в першій половині відбитка і віддалена від осі колеса на відстань s. За рахунок цього виникає момент опору sG. який викликає горизонтальне опір H = G ∙ tgφ. де tgф = s / R = f; G - навантаження на шину.
Насправді, при передачі окружного зусилля з шини на дорогу залежності набагато складніше, але для наочності пояснення наведена вище спрощена модель цілком придатна. Так як відцентрова сила і час стиснення залежать від окружної швидкості ν. то і опір коченню також частково залежить від неї. Ця залежність виражається рівнянням
Для наших міркувань про шляхи зниження опору коченню цілком придатні реально виміряні значення коефіцієнта опору (див. Рис. 4) і вплив на нього тиску в шині (рис. 7). З графіків на рис. 7 видно, що малий тиск значно збільшує опір коченню, особливо при великих швидкостях руху.
Залежність коефіцієнта опору коченню f від швидкості автомобіля v і тиску в шинах p.
Як показано на рис. 4, до швидкості 60-80 км / ч опір коченню кілька падає, але при великих швидкостях різко збільшується. Низькопрофільна шина серії VR / 50 зберігає невелику величину опору коченню аж до швидкості 200 км / ч. Таким же властивістю володіє і шина HR / 60.
Вельми небезпечним для шин є резонанс протектора, що виникає на високих швидкостях. При досягненні певних оборотів колеса можуть початися коливання елементів шару протектора на пневматичної пружині під впливом постійних імпульсів стиснення при кожному повороті колеса. На поверхні шини в момент виходу її з контакту з дорогою з'являються статичні хвилі, які можуть поширитися по всьому колу колеса. Резонанс протектора є причиною великих виділень теплоти і тому неприпустимий. При його виникненні протягом декількох десятків секунд шар протектора може відокремитися і, таким чином, виникне аварійна ситуація.
Резонанс протектора різко підвищує опір коченню, а зростання енергії, споживаної для подолання опору, сильно розігріває шину. Межі резонансу можна зрушити в сторону великих частот обертання колеса підвищенням внутрішнього тиску в шині і зменшенням маси протектора. Максимально допустима швидкість для окремих типів шин фірми «Піреллі» обмежується наступним чином: SR - 180 км / ч; HR - 210 км / ч; VR - понад 210 км / ч.
Зниження опору коченню у низькопрофільних шин досить значно і тому сприяє підвищенню паливної економічності. Фірма «Піреллі» гарантує, що використання нового типу [3] шин «P8» викликає зменшення витрат палива до 4%, що відповідає зниженню опору коченню на 20%. Одночасно підвищується термін служби шин. Шина «P8» відноситься до серії «65» і придатна для використання на швидкостях до 180 км / ч.
Низькопрофільні шини мають більшу твердість боковин, що проявляється в меншій величині бічного відведення. На рис. 8 показано вплив кута бічного відведення на коефіцієнт опору коченню. Пунктирна крива характеризує шини серії «80», суцільна - серії «60».
Залежність коефіцієнта опору коченню f вузькою та широкою шин від кута бічного відведення β.
Одним з головних вимог, що пред'являються до шин, є забезпечення хорошого зчеплення з поверхнею дороги. Воно обумовлюється шириною профілю шини, малюнком протектора й якістю його матеріалу. Для забезпечення максимального зчеплення з поверхнею дороги у гоночних автомобілів застосовуються шини, виготовлені з особливо м'якого матеріалу з гладким протектором без малюнка. Дрібні поглиблення на поверхні протектора робляться лише для контролю зносу, який у цих шин при. малих пробігах досягає значних розмірів. Опір коченню у таких гладких шин менше, ніж у тих, які забезпечені протектором з малюнком.
Як видно з вищевикладеного, правильний вибір типу шини і дотримання встановленого внутрішнього тиску повітря в них є важливими факторами, що впливають на зменшення витрат палива. Оскільки, однак, частка опору коченню в сумі загального опору руху автомобіля значно зменшується з ростом швидкості, то зменшення цього виду опору руху не означає пропорційного зниження витрати палива. Так, зменшення опору коченню шин на 10% викликає зниження споживання палива лише на 2%. Низькопрофільні шини забезпечують кращі умови руху, що може призводити до збільшення швидкості, при якому економія палива, досягнута зниженням опору коченню, практично зведеться до нуля. В цьому випадку необхідно брати до уваги, яке зниження витрат досягається зменшенням опору коченню шин і наскільки збільшується цей витрата через зростання швидкості руху.
При дії бічної сили коефіцієнт опору коченню шини зростає. Бічна сила виникає найчастіше при русі на поворотах. Щоб не допустити при цьому зниження швидкості автомобіля, необхідно збільшити потужність двигуна. Бічна сила зростає з ростом швидкості і відповідно збільшується опір коченню. Тому при проходженні поворотів на великій швидкості споживання палива збільшується.
Поворот можна проїжджати і способом плавного ковзання всіх коліс (так званий керований занос автомобіля), що вельми ефективно, але при цьому потрібна значна потужність двигуна. Всі колеса автомобіля в такому випадку відхилені від напряму руху. Уміння економічно проїжджати поворот на великій швидкості полягає в проходженні його з найменшим буксуванням коліс.
Читайте також
Саме зелене паливо
Біопаливо можна виробляти з усього, що є або колись було рослинами.
двигун Стірлінга
Двигун Стірлінга є новим можливим джерелом механічної енергії для приводу автомобіля.
- # 8634; Мацкерле Ю. Сучасний економічний автомобіль / Пер. з чеськ. В. Б. Іванова; Під ред. А. Р. Бенедиктова. - М. Машинобудування, 1987. - 320 с. мул .// Стор. 299 - 301 (книга є в бібліотеці сайту). - Прим. icarbio.ru
- # 8634; Процес кочення по м'якому грунту розглянуто в статті «Шини підвищеної прохідності і тактичні шини». - Прим. icarbio.ru
- # 8634; Необхідно враховувати час написання книги. - Прим. icarbio.ru