Сопротивление качению

редактировать

Рис. 1 Жесткое колесо катится по мягкой поверхности и деформирует ее, в результате чего сила реакции Rот поверхности, имеющей компонент, противодействующий движению. (W - некоторая вертикальная нагрузка на ось, F - некоторая буксирная сила, приложенная к оси, r - радиус колеса, а также трение о землю и трение на оси предполагается незначительным и поэтому не показаны. Колесо катится влево с постоянной скоростью.) Обратите внимание, что R - это результирующая сила от неравномерного давления на колесо. контактная поверхность дорожного полотна. Это давление больше по направлению к передней части колеса из-за гистерезиса.

Сопротивление качению, иногда называемое трением качения или сопротивлением качению, представляет собой силу, противодействующую движение, когда тело (например, мяч, шина или колесо ) катится по поверхности. Это в основном вызвано неэластичными эффектами; то есть не вся энергия, необходимая для деформации (или движения) колеса, дорожного полотна и т. д., восстанавливается при снятии давления. Двумя формами этого являются гистерезисные потери (см. ниже ) и постоянная (пластическая) деформация объекта или поверхности (например, грунта). Другая причина сопротивления качению заключается в проскальзывании между колесом и поверхностью, которое рассеивает энергию. Обратите внимание, что только последний из этих эффектов включает в себя трение, поэтому название «трение качения» в некоторой степени неверно.

По аналогии с трением скольжения сопротивление качению часто выражается как коэффициент, умноженный на нормальную силу. Этот коэффициент сопротивления качению, как правило, намного меньше, чем коэффициент трения скольжения.

Любое двигающееся накатом колесное транспортное средство будет постепенно замедляться из-за сопротивления качению, включая сопротивление подшипников, но поезд вагон со стальными колесами, движущийся по стальным рельсам, будет катиться дальше, чем автобус той же массы с резиновыми шинами, движущийся по асфальту. Факторами, влияющими на сопротивление качению, являются (степень) деформации колес, деформация поверхности дорожного полотна и движение под поверхностью. Дополнительные способствующие факторы включают диаметр колеса, нагрузку на колесо, поверхностное сцепление, скольжение и относительное микропроскальзывание между поверхностями контакта. Потери из-за гистерезиса также сильно зависят от свойств материала колеса или шины и поверхности. Например, резиновая шина будет иметь более высокое сопротивление качению на асфальтированной дороге, чем стальное железнодорожное колесо на стальном рельсе. Кроме того, песок на земле даст большее сопротивление качению, чем бетон. Единственный коэффициент сопротивления качению не зависит от скорости.

Содержание

1 Основная причина
2 Определения
3 Коэффициент сопротивления качению
4 Измерение
5 Физические формулы
6 Примеры коэффициента сопротивления качению
7 Зависимость от диаметра
- 7.1 Дилижансы и железные дороги
- 7.2 Пневматические шины
8 Зависимость от приложенного крутящего момента
- 8.1 Все колеса
- 8.2 Железнодорожные стальные колеса
- 8.3 Пневматические шины
9 Зависимость от нагрузки на колеса
- 9.1 Железнодорожные стальные колеса
- 9.2 Пневматические шины
10 Зависимость от кривизны проезжей части
- 10.1 Общие положения
11 Звуковые эффекты
12 Факторы, влияющие на шины
13 Железные дороги: компоненты сопротивления качению
14 Сравнение сопротивления качению дорожных транспортных средств и поездов
15 См. Также
16 Ссылки
17 Внешние ссылки

Основная причина

Асимметричное распределение давления между цилиндрами качения из-за поведения вязкоупругого материала (качение к справа).

Основной причиной сопротивления качению пневматической шины является гистерезис :

Характеристика деформируемый материал, у которого энергия деформации больше, чем энергия восстановления. Резиновая смесь в шине проявляет гистерезис. По мере того как шина вращается под весом транспортного средства, она испытывает повторяющиеся циклы деформации и восстановления, и она рассеивает гистерезисные потери энергии в виде тепла. Гистерезис является основной причиной потерь энергии, связанных с сопротивлением качению, и объясняется вязкоупругими характеристиками резины.

- Национальная академия наук

Этот основной принцип проиллюстрирован на рисунке цилиндров качения. Если два одинаковых цилиндра прижать друг к другу, то контактная поверхность будет плоской. При отсутствии поверхностного трения контактные напряжения нормальны (т.е. перпендикулярны) контактной поверхности. Рассмотрим частицу, которая входит в область контакта с правой стороны, проходит через пятно контакта и уходит с левой стороны. Первоначально его вертикальная деформация увеличивается, чему препятствует эффект гистерезиса. Следовательно, создается дополнительное давление, чтобы избежать взаимного проникновения двух поверхностей. В дальнейшем его вертикальная деформация уменьшается. Этому снова препятствует эффект гистерезиса. В этом случае это снижает давление, необходимое для разделения двух тел.

В результате распределение давления асимметрично и смещено вправо. Линия действия (совокупной) вертикальной силы больше не проходит через центры цилиндров. Это означает, что возникает момент, который имеет тенденцию замедлять перекатывающее движение.

Материалы с большим эффектом гистерезиса, такие как резина, которая отскакивает медленно, демонстрируют большее сопротивление качению, чем материалы с небольшим эффектом гистерезиса, которые отскакивают быстрее и полнее, такие как сталь или диоксид кремния. Шины с низким сопротивлением качению обычно включают диоксид кремния вместо технического углерода в состав протектора для уменьшения низкочастотного гистерезиса без снижения тягового усилия. Обратите внимание, что железные дороги также имеют гистерезис в конструкции дорожного полотна.

Определения

В широком смысле удельное «сопротивление качению» (для транспортных средств) - это сила на единицу веса транспортного средства, необходимая для перемещения транспортного средства на ровной поверхности с постоянной низкой скоростью, где аэродинамическое сопротивление (сопротивление воздуха) незначительно, а также при отсутствии тяговых (моторных) сил или тормозов. Другими словами, автомобиль двигался бы по инерции, если бы не сила, поддерживающая постоянную скорость. Этот широкий смысл включает сопротивление подшипника ступицы колеса, энергию, рассеиваемую при вибрации и колебаниях дорожного полотна и транспортного средства, а также скольжение колеса по поверхности дорожного полотна (тротуару или рельсу).

Но есть еще более широкий смысл, который может включать в себя потери энергии из-за пробуксовки колес из-за крутящего момента, передаваемого от двигателя. Это включает в себя увеличенную мощность, требуемую из-за увеличения скорости колес, когда тангенциальная скорость ведущего колеса (колес) становится больше, чем скорость транспортного средства из-за проскальзывания. Поскольку мощность равна силе, умноженной на скорость, и скорость колеса увеличилась, требуемая мощность соответственно увеличилась.

Чистое «сопротивление качению» для поезда - это то, что возникает из-за деформации и возможного незначительного скольжения при контакте колеса с дорогой. Для резиновой шины аналогичная потеря энергии происходит по всей шине, но она все еще называется «сопротивлением качению». В широком смысле «сопротивление качению» включает сопротивление подшипника ступицы колеса, потерю энергии при сотрясении как дорожного полотна (и земли под ним), так и самого транспортного средства, а также при скольжении колеса при контакте дороги и рельса. Учебники по железной дороге, кажется, охватывают все эти силы сопротивления, но не называют их сумму «сопротивлением качению» (в широком смысле), как это делается в этой статье. Они просто суммируют все силы сопротивления (включая аэродинамическое сопротивление) и называют эту сумму базовым сопротивлением поезда (или тому подобное).

Поскольку сопротивление качению на железной дороге в широком смысле может быть в несколько раз больше, чем просто чистое сопротивление качению. Приведенные значения сопротивления качению могут серьезно противоречить друг другу, поскольку они могут основываться на разных определениях «сопротивления качению». Разумеется, двигатели поезда должны обеспечивать энергию для преодоления этого сопротивления качению в широком смысле.

Для шин сопротивление качению определяется как энергия, потребляемая шиной на единицу пройденного пути. Это также называется трением качения или сопротивлением качения. Это одна из сил, препятствующих движению водителя. Основная причина этого заключается в том, что, когда шины движутся и касаются поверхности, поверхность меняет форму и вызывает деформацию шины.

Для шоссейных транспортных средств, очевидно, что при сотрясении проезжей части рассеивается некоторая энергия. (и землю под ним), сотрясение самого транспортного средства и скольжение шин. Но, за исключением дополнительной мощности, необходимой из-за крутящего момента и трения в колесном подшипнике, нечистое сопротивление качению, по-видимому, не исследовалось, возможно потому, что «чистое» сопротивление качению резиновой шины составляет несколько единиц. раз выше, чем сопротивление, которое не учитывалось.

Коэффициент сопротивления качению

«Коэффициент сопротивления качению» определяется следующим уравнением:

F = C rr N {\ displaystyle \ F = C_ {rr} N}

\ F = C _ {{rr}} N

где

F {\ displaystyle F}

F

- сила сопротивления качению (показанная как

R {\ displaystyle R}

R

на рисунке 1.),

C rr {\ displaystyle C_ {rr}}

C_{{rr}}

- безразмерный коэффициент сопротивления качению или коэффициент трения качения (CRF ), а

N {\ displaystyle N}

N

- это нормальная сила, сила, перпендикулярная поверхности, по которой катится колесо.

$C rr { \ displaystyle C_ {rr}}$ $C_{{rr}}$ - сила, необходимая для толкания (или буксировки) колесного транспортного средства вперед (на постоянная скорость на ровной поверхности или нулевой уклон с нулевым сопротивлением воздуха) на единицу силы веса. Предполагается, что все колеса одинаковые и имеют одинаковый вес. Таким образом: $C r r = 0,01 {\ displaystyle \ C_ {rr} = 0,01}$ $\ C _ {{rr}} = 0,01$ означает, что для буксировки транспортного средства весом в один фунт потребуется всего 0,01 фунта. Для автомобиля весом 1000 фунтов потребуется в 1000 раз больше тягового усилия, то есть 10 фунтов. Можно сказать, что $C r r {\ displaystyle C_ {rr}}$ $C_{{rr}}$ выражается в фунтах (тяговое усилие) / фунт (вес транспортного средства). Поскольку этот фунт / фунт является делением силы на силу, $C r r {\ displaystyle C_ {rr}}$ $C_{{rr}}$ безразмерно. Умножьте это на 100, и вы получите процент (%) веса транспортного средства, необходимый для поддержания низкой постоянной скорости. $C rr {\ displaystyle C_ {rr}}$ $C_{{rr}}$ часто умножается на 1000, чтобы получить количество частей на тысячу, что эквивалентно килограммам (кгсилу) на метрическую тонну (тонна = 1000 кг), который равен фунтам сопротивления на 1000 фунтов груза или Ньютонам / килоньютонам и т. д. Для железных дорог США традиционно использовались фунты / тонна; это просто $2000 C r r {\ displaystyle 2000C_ {rr}}$ $2000C _ {{rr}}$ . Таким образом, все они просто меры сопротивления на единицу веса транспортного средства. Хотя все они являются «удельными сопротивлениями», иногда их просто называют «сопротивлением», хотя на самом деле они являются коэффициентом (отношением) или кратным ему. Если использовать фунты или килограммы в качестве единиц силы, масса равна весу (в земной гравитации килограмм масса весит килограмм и оказывает килограмм силы), поэтому можно утверждать, что $C rr {\ displaystyle C_ {rr}}$ $C_{{rr}}$ - это также сила на единицу массы в таких единицах. В системе СИ будет использоваться Н / т (Н / Т, Н / т), что составляет $1000 г C rr {\ displaystyle 1000gC_ {rr}}$ $1000gC _ {{rr}}$ и представляет собой силу на единицу массы, где g - ускорение свободного падения в единицах СИ (квадратные метры в секунду).

Выше показано сопротивление, пропорциональное $C rr {\ displaystyle C_ {rr}}$ $C_{{rr}}$ , но не явно показать любые изменения в зависимости от скорости, нагрузок, крутящего момента, шероховатости поверхности, диаметра, накачивания / износа шин и т. д., потому что $C rr {\ displaystyle Само C_ {rr}}$ $C_{{rr}}$ зависит от этих факторов. Из приведенного выше определения $C rr {\ displaystyle C_ {rr}}$ $C_{{rr}}$ может показаться, что сопротивление качению прямо пропорционально массе автомобиля, но это не.

Измерение

Существует как минимум две популярные модели для расчета сопротивления качению.

«Коэффициент сопротивления качению (RRC). Значение силы сопротивления качению, деленное на нагрузку на колесо. Общество автомобильных инженеров (SAE) разработало методы испытаний для измерения RRC шин. Эти испытания (SAE J1269 и SAE J2452 ) обычно выполняются на новых шинах. При измерении с использованием этих стандартных методов испытаний, для большинства новых легковых шин значения RRC варьируются от 0,007 до 0,014 ». В случае велосипедных шин достигаются значения от 0,0025 до 0,005. Эти коэффициенты измеряются на катках, измерителями мощности на дорожном покрытии или с. В последних двух случаях необходимо вычесть влияние сопротивления воздуха или испытания проводить на очень низких скоростях.
Коэффициент сопротивления качению b, который имеет размер длина, равен приблизительно (из-за малоуглового приближения из $cos ⁡ (θ) = 1 {\ displaystyle \ cos (\ theta) = 1}$ ${\ displaystyle \ cos (\ theta) = 1}$ ) равным значению сила сопротивления качению, умноженная на радиус колеса, деленное на нагрузку на колесо.
используется для проверки сопротивления качению в Европе.

Результаты этих испытаний могут быть трудными для широкую публику получить, поскольку производители предпочитают рекламировать «комфорт» и «производительность».

Физические формулы

Коэффициент сопротивления качению для медленного жесткого колеса по идеально упругой поверхности, не скорректированный по скорости, может быть рассчитан как

C rr = z / d {\ displaystyle \ C_ {rr} = {\ sqrt {z / d}}}

\ C _ {{ rr}} = {\ sqrt {z / d}}

где

z {\ displaystyle z}

z

- глубина погружения

d {\ displaystyle d}

d

- диаметр жесткого колеса

Эмпирическая формула для $C rr {\ displaystyle \ C_ {rr}}$ ${\ displaystyle \ C_ {rr}}$ для колес чугунных шахтных вагонов на стальных рельсах:

C rr = 0,0048 (18 / D) 1 2 (100 / W) 1 4 = 0,0643988 WD 2 4 {\ displaystyle \ C_ {rr} = 0,0048 (18 / D) ^ {\ frac {1} {2 }} (100 / Вт) ^ {\ frac {1} {4}} = {\ frac {0.0643988} {\ sqrt [{4}] {WD ^ {2}}}}}

{\ displaystyle \ C_ {rr} = 0,0048 (18 / D) ^ {\ frac {1} {2}} (100 / Вт) ^ {\ frac {1} {4}} = {\ frac {0,0643988 } {\ sqrt [{4}] {WD ^ {2}}}}}

где

D {\ displaystyle D}

D

- диаметр колеса в дюймах

W {\ displaystyle W}

W

- нагрузка на колесо в фунтах-силах

В качестве альтернативы используя $C rr {\ displaystyle \ C_ {rr}}$ $\ C _ {{rr}}$ , можно использовать $b {\ displaystyle \ b}$ $\ b$ , который представляет собой другое сопротивление качению коэффициент трения или трения качения с размерностью длины. Он определяется по следующей формуле:

F = N br {\ displaystyle \ F = {\ frac {Nb} {r}}}

\ F = {\ frac {Nb} {r}}

где

F {\ displaystyle F}

F

- сила сопротивления качению (показанная на рисунке 1),

r {\ displaystyle r}

r

- радиус колеса,

b {\ displaystyle b}

b

- это коэффициент сопротивления качению или коэффициент трения качения с размером длины, а

N {\ displaystyle N}

N

- нормальная сила (равная W, не R, как показано на рисунке 1).

Вышеприведенное уравнение, в котором сопротивление обратно пропорционально радиусу r. похоже, основан на дискредитированном «законе Кулона» (ни закон обратных квадратов Кулона, ни закон трения Кулона) (нуждается в цитировании). См. Зависимость от диаметра. Приравнивая это уравнение к силе, приходящейся на коэффициент сопротивления качению, и решая для b, получаем b = C rr · r. Следовательно, если источник дает коэффициент сопротивления качению (C rr) как безразмерный коэффициент, его можно преобразовать в b, имеющий единицы длины, умножив C rr на радиус колеса r.

Примеры коэффициента сопротивления качению

Таблица примеров коэффициента сопротивления качению: [3]

Crr	b	Описание
от 0,0003 до 0,0004		«Чистое сопротивление качению» Колесо из железнодорожной стали на стальном рельсе
от 0,0010 до 0,0015	0,1 мм	Шарикоподшипники из закаленной стали на стали
от 0,0010 до 0,0024	0,5 мм	Железнодорожное стальное колесо на стальном рельсе. Легковой железнодорожный вагон около 0,0020
0,0019 до 0,0065		Чугунные колеса шахтных вагонов на стальном рельсе
0,0022 до 0,0050		Серийные велосипедные шины при давлении 120 фунтов на квадратный дюйм (8,3 бар) и 50 км / ч (31 миль в час), измерено на роликах
0,0025		Special Michelin солнечный автомобиль / эко-марафон шины
0,0050		Грязные трамвайные рельсы (стандарт) с прямыми и изгибами
0,0045 до 0,0080		Большой грузовик (Полу) шины
0,0055		Типичные велосипедные шины BMX, используемые для солнечных автомобилей
0,0062 до 0,0150		Размеры автомобильных шин
от 0,0100 до 0,0150		Обычные автомобильные шины на бетоне
от 0,0385 до 0,0730		дилижанс (XIX век) на грунтовой дороге. Мягкий снег на дороге в худшем случае.
0,3000		Обычные автомобильные шины по песку

Например, в условиях земной силы тяжести автомобилю массой 1000 кг по асфальту потребуется сила около 100 ньютонов для качения (1000 кг × 9,81 м / с × 0,01 = 98,1 Н).

Зависимость от диаметра

Дилижансы и железные дороги

Согласно Дюпюи (1837) сопротивление качению (колесных вагонов с деревянными колесами с железными шинами) приблизительно обратно пропорционально корень квадратный из диаметра колеса. Это правило было экспериментально подтверждено для чугунных колес (диаметром 8–24 дюймов) на стальном рельсе и для колес тележек 19 века. Но есть и другие тесты колес тележки, которые не согласуются. Теория качения цилиндра по упругой дороге также дает то же самое правило. Они противоречат более ранним (1785 г.) испытаниям Кулона катания деревянных цилиндров, в которых Кулон сообщил, что сопротивление качению обратно пропорционально диаметру колеса (известное как «закон Кулона»).. Однако этот оспариваемый (или неправильно применяемый) «закон Кулона» все еще встречается в справочниках.

Пневматические шины

Сообщается, что для пневматических шин на твердом покрытии влияние диаметра на сопротивление качению незначительно (в пределах практического диапазона диаметров).

Зависимость от приложенного крутящего момента

Приводной крутящий момент $T {\ displaystyle T}$ $T$ для преодоления сопротивления качению $R r {\ displaystyle R_ {r}}$ $R _ {{r}}$ и поддержание постоянной скорости на ровной поверхности (без сопротивления воздуха) можно рассчитать следующим образом:

T = V s Ω R r {\ displaystyle T = {\ frac {V_ {s}} {\ Омега}} R_ {r}}

T = {\ frac {V _ {{s}} } {\ Omega}} R_ {r}

, где

V s {\ displaystyle V_ {s}}

V_s

- линейная скорость тела (на оси), а

Ω { \ displaystyle \ Omega}

\ Omega

его скорость вращения.

Стоит отметить, что $V s / Ω {\ displaystyle V_ {s} / \ Omega}$ $V _ {{s}} / \ Omega$ обычно не равно к радиусу катящегося тела.

Все колеса

«Приложенный крутящий момент» может быть либо крутящим моментом, приложенным двигателем (часто через трансмиссию ), либо тормозным крутящий момент прилагается тормоза (включая рекуперативное торможение ). Такие моменты приводят к рассеянию энергии (выше, чем из-за основного сопротивления качению свободно катящегося, не ведущего, не тормозящего колеса). Эти дополнительные потери частично связаны с тем, что колесо имеет некоторую пробуксовку, а в случае пневматических шин происходит больший прогиб боковин из-за крутящего момента. Скольжение определяется таким образом, что 2% -ное скольжение означает, что окружная скорость ведущего колеса превышает скорость транспортного средства на 2%.

Небольшой процент скольжения может привести к гораздо большему процентному увеличению сопротивления качению. Например, для пневматических шин проскальзывание 5% может привести к увеличению сопротивления качению на 200%. Частично это связано с тем, что тяговое усилие, прилагаемое во время этого скольжения, во много раз превышает силу сопротивления качению, и, таким образом, прилагается гораздо больше мощности на единицу скорости (вспомните, мощность = сила x скорость так что мощность на единицу скорости есть просто сила). Таким образом, даже небольшое увеличение окружной скорости в процентах из-за скольжения может привести к потере тягового усилия, которая может даже превысить потерю мощности из-за основного (обычного) сопротивления качению. Для железных дорог этот эффект может быть еще более выраженным из-за низкого сопротивления качению стальных колес.

Железнодорожные стальные колеса

Чтобы применить тягу к колесам, необходимо некоторое проскальзывание колеса. Для российских поездов, поднимающихся на подъем, это скольжение обычно составляет от 1,5% до 2,5%.

Скольжение (также известное как проскальзывание ) обычно примерно прямо пропорционально тяговому усилию. Исключением является то, что тяговое усилие настолько велико, что колесо приближается к значительному пробуксовыванию (более нескольких процентов, как обсуждалось выше), тогда скольжение быстро увеличивается с увеличением тягового усилия и перестает быть линейным. При чуть более высоком прилагаемом тяговом усилии колесо выходит из-под контроля, и сцепление падает, в результате чего колесо вращается еще быстрее. Это тип проскальзывания, который можно наблюдать невооруженным глазом - например, скольжение в 2% для тяги наблюдается только с помощью приборов. Такое быстрое скольжение может привести к чрезмерному износу или повреждению.

Пневматические шины

Сопротивление качению значительно увеличивается с приложенным крутящим моментом. При высоких крутящих моментах, когда к дороге прилагается тангенциальная сила, составляющая примерно половину веса транспортного средства, сопротивление качению может утроиться (увеличение на 200%). Частично это связано с проскальзыванием примерно на 5%. Увеличение сопротивления качению с приложенным крутящим моментом не является линейным, а увеличивается с большей скоростью, когда крутящий момент становится выше.

Зависимость от нагрузки на колесо

Железнодорожные стальные колеса

Коэффициент сопротивления качению Crr значительно уменьшается по мере увеличения веса железнодорожного вагона на каждое колесо. Например, у пустого российского грузового вагона Crr было примерно вдвое больше, чем у загруженного вагона (Crr = 0,002 против Crr = 0,001). Та же «экономия на масштабе» проявляется при испытании шахтных вагонов. Теоретический Crr для жесткого колеса, катящегося по упругому дорожному полотну, показывает Crr, обратно пропорциональный квадратному корню из нагрузки.

Если Crr сам по себе зависит от нагрузки на колесо по правилу обратного квадратного корня, то для увеличения при нагрузке 2% сопротивление качению увеличивается только на 1%.

Пневматические шины

Для пневматических шин направление изменения Crr (коэффициента сопротивления качению) зависит от того, покрыта ли шина инфляция увеличивается с увеличением нагрузки. Сообщается, что если внутреннее давление увеличивается с нагрузкой в соответствии с (неопределенным) «графиком», то 20% -ное увеличение нагрузки снижает Crr на 3%. Но если давление накачки не изменяется, то увеличение нагрузки на 20% приводит к увеличению Crr на 4%. Конечно, это увеличит сопротивление качению на 20% из-за увеличения нагрузки плюс 1,2 x 4% из-за увеличения Crr, что приведет к увеличению сопротивления качению на 24,8%.

Зависимость от кривизны проезжей части

Общее

Когда транспортное средство (автотранспорт или железная дорога поезд ) движется по кривой сопротивление качению обычно увеличивается. Если кривая не имеет наклона, чтобы точно противодействовать центробежной силе равной и противоположной центростремительной силой из-за наклона, тогда будет чистая несбалансированная боковая нагрузка на автомобиль. Это приведет к увеличению сопротивления качению. Крен также известен как "наклон" или "наклон" (не путать с перекосом на направляющей ). Для железных дорог это называется сопротивление кривой, но для дорог оно (по крайней мере один раз) называлось сопротивлением качению из-за прохождения поворотов.

Звуковые эффекты

Трение качения генерирует звуковую (колебательную) энергию, поскольку механическая энергия преобразуется в эту форму энергии за счет трения. Одним из наиболее распространенных примеров трения качения является движение шин автомобилей по проезжей части, процесс, в результате которого в качестве побочного продукта генерируется звук. Звук, издаваемый шинами легковых и грузовых автомобилей при катании (особенно заметный на скоростях шоссе), в основном связан с ударом протектора шин и сжатием (и последующей декомпрессией) воздуха, временно захваченного протекторами.

Факторы, влияющие на шины

На величину сопротивления качению, которое создает шина, влияют несколько факторов:

Как упоминалось во введении: радиус колеса, скорость движения вперед, сцепление с поверхностью и относительное микростолзание.
Материал - различные наполнители и полимеры в составе шины могут улучшить сцепление с дорогой при одновременном снижении гистерезиса. Замена некоторого количества технического углерода более дорогим кремнезем-силаном - один из распространенных способов снижения сопротивления качению. Было показано, что использование экзотических материалов, включая наноглину, снижает сопротивление качению в высокоэффективных резиновых шинах. Растворители также могут использоваться для разбухания твердых шин, что снижает сопротивление качению.
Размеры - сопротивление качению в шинах связано с изгибом боковин и площадью контакта шины. Например, при одинаковом давлении шире велосипедные шины меньше прогибаются в боковинах при качении и, следовательно, имеют меньшее сопротивление качению (хотя и более высокое сопротивление воздуха).
Степень накачивания - меньшее давление в шинах приводит к большему изгибу боковин и более высокое сопротивление качению. Это преобразование энергии в боковинах увеличивает сопротивление, а также может привести к перегреву и, возможно, сыграло свою роль в печально известных Ford Explorer авариях с опрокидыванием.
Из-за накачивания шин (например, велосипедных шин) нельзя снизить общее сопротивление качению, так как шина может прыгать по поверхности дороги. Приносится в жертву тяговое усилие, и общее трение качения не может быть уменьшено по мере изменения скорости вращения колеса и увеличения проскальзывания.
Отклонение боковой стенки не является прямым измерением трения качения. Высококачественная шина с высококачественным (и гибким) каркасом обеспечит большую гибкость на потерю энергии, чем дешевая шина с жесткой боковиной. Опять же, на велосипеде качественная шина с гибким каркасом будет катиться легче, чем дешевая шина с жестким каркасом. Точно так же, как отмечают шины Goodyear для грузовых автомобилей, шина с каркасом "экономия топлива" будет способствовать экономии топлива в течение многих сроков службы протектора (т.е. при восстановлении протектора), в то время как шина с рисунком протектора "экономия топлива" принесет пользу только до тех пор, пока протектор не износится.
В шинах толщина и форма протектора имеют прямое отношение к сопротивлению качению. Чем толще и рельефнее протектор, тем выше сопротивление качению. Таким образом, «самые быстрые» велосипедные шины имеют очень маленький протектор, и тяжелые грузовики получают лучшую экономию топлива, поскольку протектор шины изнашивается.
Эффекты диаметра кажутся можно пренебречь при условии твердого покрытия и ограниченного диапазона диаметров. См. Зависимость от диаметра..
Практически все мировые рекорды скорости были установлены на относительно узких колесах, вероятно, из-за их аэродинамических преимуществ на высокой скорости, что гораздо менее важно на обычных скоростях.
Температура: Как для сплошных, так и для пневматических шин сопротивление качению снижается с повышением температуры (в пределах диапазона температур: т.е. существует верхний предел этого эффекта). При повышении температуры от 30 ° C до 70 ° C сопротивление качению снизился на 20-25%. Утверждается, что гонщики нагревают свои шины перед гонками.

Железные дороги: компоненты сопротивления качению

В широком смысле сопротивление качению можно определить как сумму компонентов):

Потери крутящего момента в подшипниках колеса.
Чистое сопротивление качению.
Скольжение колеса по рельсу.
Потеря энергии на дорожное полотно (и землю).
Потеря энергии к колебаниям железнодорожного подвижного состава.

Потери крутящего момента в подшипнике колеса можно измерить как сопротивление качению на ободе колеса, Crr. На железных дорогах обычно используются роликовые подшипники цилиндрической (Россия) или конической (США). Удельное сопротивление качению российских подшипников зависит как от нагрузки на колесо, так и от скорости. Сопротивление качению подшипников ступицы самое низкое при высоких нагрузках на ось и средних скоростях 60–80 км / ч при Crr 0,00013 (нагрузка на ось 21 тонна). Для порожних грузовых вагонов с осевой нагрузкой 5,5 т Crr увеличивается до 0,00020 при 60 км / ч, но на низкой скорости 20 км / ч он увеличивается до 0,00024, а на высокой скорости (для грузовых поездов) 120 км / ч. это 0,00028. Полученный выше Crr добавляется к Crr других компонентов, чтобы получить общий Crr для колес.

Сравнение сопротивления качению шоссейных транспортных средств и поездов

Сопротивление качению стальных колес по стальному рельсу поезда намного меньше, чем сопротивление качению колес с резиновыми шинами автомобиля или грузовика. Вес поездов сильно различается; в некоторых случаях они могут быть намного тяжелее на пассажира или на тонну нетто груза, чем автомобиль или грузовик, но в других случаях они могут быть намного легче.

В качестве примера очень тяжелого пассажирского поезда в 1975 году пассажирские поезда Amtrak весили немногим более 7 тонн на пассажира, что намного тяжелее, чем в среднем чуть более одной тонны на пассажира для автомобиля. Это означает, что для пассажирского поезда Amtrak в 1975 году большая часть экономии энергии за счет более низкого сопротивления качению была потеряна из-за его большего веса.

Примером очень легкого высокоскоростного пассажирского поезда является Синкансэн серии N700, который весит 715 тонн и перевозит 1323 пассажира, в результате чего вес на одного пассажира составляет около полтонны.. Этот меньший вес на пассажира в сочетании с более низким сопротивлением качению стальных колес по стальному рельсу означает, что синкансэн N700 намного более энергоэффективен, чем обычный автомобиль.

Что касается грузовых перевозок, CSX в 2013 году провела рекламную кампанию, в которой утверждалось, что их грузовые поезда перемещают «тонну груза на 436 миль на галлоне топлива», тогда как некоторые источники утверждают, что грузовики перемещают тонну груза на расстоянии 130 миль на галлон топлива, что указывает на то, что поезда в целом более эффективны.

См. Также

Коэффициент трения
Шины с низким сопротивлением качению
Maglev (Magnetic Levitation, исключение качения и сопротивление качению)
Подшипник качения

Литература

Астахов П.Н. «Сопротивление движению железнодорожного подвижного состава» Труды ЦНИИ МПС (ISSN 0372-3305). Выпуск 311 (Том 311). - Москва: Транспорт, 1966. - 178 с. перм. запись в Калифорнийском университете в Беркли (В 2012 году полный текст был в Интернете, но США были заблокированы)
Деев В.В., Ильин Г.А., Афонин Г.С. "Тяга поездов" Учебное пособие. - М.: Транспорт, 1987. - 264 с.
Хэй, Уильям У. "Railroad Engineering" Нью-Йорк, Вили 1953
Херси, Мэйо Д., "Роллинг трение". ASME, апрель 1969 г., стр. 260–275 и Journal of Lubrication Technology, январь 1970 г., стр. 83–88 (одна статья разделена между двумя журналами) За исключением «Исторического введения» и обзора литературы, в основном речь идет о лабораторные испытания чугунных колес шахтных железных дорог диаметром от 8 ″ до 24, проведенные в 1920-х годах (почти полвека задержка между экспериментом и публикацией).
Hoerner, Sighard F., "Fluid dynamic drag", опубликовано автор, 1965. (Глава 12 - «Наземные транспортные средства» и включает сопротивление качению (поезда, автомобили, грузовики).)
Робертс, Великобритания, «Потери мощности в шинах», Международная конференция по резине, Вашингтон, округ Колумбия, 1959.
Национальное бюро стандартов США, «Механика пневматических шин», Монография № 132, 1969–1970 гг.
Уильямс, Дж. А. Инженерная трибология ». Oxford University Press, 1994.

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с сопротивлением качению.