О влиянии шин на эффективность автомобиля

Пневматическая шина является обязательным компонентом практически всех наземных колесных транспортных средств. Да и не только наземных. Ни один взлет и посадка авиалайнера (кроме специальных самолетов-амфибий) не обходятся без участия колесного шасси, основным элементом которого является опять же шина. Она, находясь в постоянном взаимодействии с ободом колеса, образует с ним более сложный механизм. С помощью последнего и происходит перемещение транспортного средства относительно опорной поверхности. Называется этот механизм колесным движителем. Колесный движитель и двигатель — вот те два «кита», благодаря которым автомобиль и выделяется среди других видов транспорта

______________1.jpg 

Как автомобильное колесо, так и шина на первых автомобилях ХIХ столетия имели совсем не такой вид, как в наше время. В те далекие времена автомобили оборудовались деревянными колесами с металлическим ободом — по типу колеса, применяемого на гужевой повозке. В процессе развития конструкции колеса оно со временем стало штампованным, а после появились и литые диски колес. Вместе с колесом в лучшую сторону непрерывно изменялась и конструкция шин.

Среди множества потребительских свойств автомобиля очень трудно выделить такие, которые не зависели бы от конструкции, размеров и материала колесного движителя и шины как его элемента. Действительно, колесный движитель оказывает непосредственное влияние на такие важнейшие свойства транспортного средства, как топливная экономичность, тягово-скоростные качества, или динамичность, плавность хода и вибронагруженность рабочего места водителя, опорная проходимость, управляемость и устойчивость, тормозные характеристики, маневренность и акустический комфорт в кабине грузовика.

В данной статье мы не будем рассматривать взаимосвязь характеристик шин со всеми перечисленными свойствами, а ограничимся лишь оценкой их влияния на эффективность автомобиля. Последняя же, как известно, в первую очередь зависит от показателей скоростных свойств и топливной экономичности. Совершенно очевидно, что эффективность грузовика у потребителя тем выше, чем больше его среднетехническая скорость и меньше при этом расход топлива.

Для того чтобы получить количественные оценки влияния характеристик шин на свойства автомобиля, обратимся к основам его теории. При этом не будем прибегать к сложным математическим выкладкам и попытаемся объяснить их «на пальцах», с использованием простейших формул элементарной математики.

Тяговое усилие, передаваемое со стороны двигателя на ведущие колеса автомобиля, позволяет последнему выполнять свою основную функцию — доставку груза (или пассажиров) из пункта А в пункт В — с преодолением всех внешних сопротивлений движению со стороны дороги и внешней среды. В общем случае движения на подъеме с ускорением имеются следующие силы сопротивления:

сила сопротивления качению, возникающая в пятне контакта шин с дорогой;

сила сопротивления воздушной среды;

сила сопротивления в агрегатах трансмиссии;

сила сопротивления подъему;

сила сопротивления, связанная с инерцией автомобиля (так называемое сопротивление разгону).

В процессе движения по горизонтальной дороге с постоянной скоростью двух последних сил нет. Именно такие режимы движения мы и будем рассматривать при анализе топливной экономичности.

Первая из названных сил (обозначим ее Р) возникает вследствие взаимодействия колес автомобиля с опорной поверхностью и всегда направлена против движения. Эта составляющая обусловлена в первую очередь деформацией шин и дорожного покрытия. Она воздействует на каждое из колес вне зависимости от того, является ли оно ведущим или ведомым.

Эта сила определяется как произведение веса транспортного средства на коэффициент сопротивления качению, обычно обозначаемый буквой . Вроде бы всё просто: взял да и перемножил две величины. И если первую из них можно определить простым взвешиванием, то в отношении второй дело обстоит гораздо сложнее. Связано это как с многообразием факторов, влияющих на этот коэффициент, так и с достаточно сложной процедурой его измерения в дорожных условиях.

Из теории и практики известно, что величина зависит от геометрических размеров и конструкции шины, вертикальной нагрузки на нее и скорости движения транспортного средства, внутреннего давления, свойств материала, типа протектора, передаваемого крутящего момента и ряда других менее значимых факторов. К настоящему времени зависимость коэффициента сопротивления качению, скажем, от вертикальной нагрузки на шину или внутреннего давления в ней очевидна (он уменьшается с их ростом), а вот в отношении учета скорости этого утверждать нельзя.

Специалистами в области теории качения автомобильного колеса разработаны различные математические формулы для учета скорости движения. У одних величина не зависит от скорости, у других она — линейная, у третьих — квадратичная. Некоторыми исследователями предложены вообще дробные степени. Не вдаваясь в глубокий обзор и анализ результатов исследований в этом направлении, укажем только, что нами ранее была научно обоснована применимость прямо пропорциональной зависимости от скорости.

Теперь обратимся к способам измерения этого параметра шин. Здесь также можно заблудиться среди многообразия различных подходов. Оно, в свою очередь, порождает неоднозначность и различие (до десятков раз!) в оценках в различных справочных материалах. Так, даже в современной литературе можно найти данные о коэффициенте сопротивления качению шин на ровном асфальто-бетонном покрытии, находящиеся в диапазоне от 0,0035 до 0,013. Для других покрытий можно встретить величины = 0,035 и более. Кроме того, коэффициент сопротивления в процессе эволюции конструкции и технологии изготовления шин постоянно уменьшается, о чем свидетельствуют данные по шинам фирмы «Мишлен» (рис. 1, заимствован с интернет-сайта) для легковых автомобилей. Характеристики шин грузовых автомобилей принципиальных отличий не имеют. Далее утомлять читателя теоретическими изысканиями не будем и отметим только, что нами в течение ряда лет для определения величины используется безотказный и достаточно точный для инженерных приложений метод выбега.

«Вооруженные» некоторым багажом теоретических знаний, возвратимся теперь к предмету и цели нашей работы. Для этого воспользуемся результатами испытаний, выполненных на специально предназначенной для этих целей динамометрической дороге автополигона, который находится в г. Дмитрове Московской области. Типичная линейная зависимость коэффициента от скорости для отечественной шины, применяемой в конструкции грузовых автомобилей, приведена на рис. 2.

Полученная функциональная зависимость, как и было отмечено выше, легко описывается выражением , где скорость надо подставлять в м/с.

Результаты испытаний по определению показателей скоростных свойств двух автомобилей-самосвалов КамАЗ-6520 (рис. 3) и КамАЗ-65115 (рис. 4) грузоподъемностью 20 и 15 т соответственно при установке отечественных и импортных шин фирмы «Мишлен» приведены в таблицах 1, 2. Аналогичные показатели полноприводного автомобиля КамАЗ-43118 (рис. 5) грузоподъемностью 10 т отражены в таблице 3. На данном автомобиле испытывались импортные шины другого производителя — фирмы “Bridgestone”. Условная максимальная скорость в этих таблицах — это средняя скорость в процессе разгона автомобиля с места на отрезке пути от 1600 до 2000 м.

Мы видим, что применение импортных шин приводит к незначительному улучшению динамических характеристик. У самосвалов — на 1,2…4,6% и на 4,8…6,5% — у вездехода. Зато весьма значителен эффект по увеличению пути выбега: 18,7…20,7% на автомобилях колесной формулы 6х4 и на 33,4% у полноприводного автомобиля 6х6. Возрастание пути выбега свидетельствует об уменьшении коэффициента сопротивления качению и, следовательно, суммарного сопротивления движению.

Блестящим подтверждением тому являются результаты испытаний (таблицы 4 — 6) с целью оценки топливной экономичности в режиме установившегося движения с заданной постоянной скоростью. Так, на автомобиле КамАЗ-6520 использование импортных шин вместо отечественных обеспечивает уменьшение расхода топлива в среднем на 3 л/100 км (от 7,8 до 12,0%). На втором автомобиле-самосвале при установке импортных шин экономия топлива еще больше: от 3,3 до 4,7 л/100 км (11,3…14,6%).

Импортные шины на автомобиле колесной формулы 6х6 позволяют уменьшить расход топлива на 4,7…5,1 л/100 км (18,3…24,6%). По результатам эксплуатационных испытаний по дорогам с твердым покрытием первой и второй категорий реальная экономия топлива на автомобилях-самосвалах составила 3,6 и 3,9 л/100 км, а на третьем автомобиле — 4,2 л/100 км. Таким образом, в среднем получается приличная экономия топлива — порядка 3,9 л/100 км на один автомобиль.

Что это даст предприятию, имеющему в парке три таких автомобиля? Произведем элементарный расчет экономии финансовых ресурсов с учетом суммарного годового пробега трех автомобилей 20 000 км и стоимости одного литра дизельного топлива 24 рубля/л. В итоге получаем:

3,9 л/100 км • 200000 км • 24 руб./л = 187200 руб.

Много это или мало? Решать потребителю. Но при принятии решения надо учитывать не только приведенные данные, но и условия эксплуатации. На грунтовых дорогах эффективность импортных шин уменьшается, так же, как и на технологическом и городском транспорте, для режима эксплуатации которых характерны частые остановки и стоянки. Вместе с тем надо помнить, что ресурс импортных шин, как правило, выше, чем отечественных.

Независимо от того, какие шины установлены, необходимо соблюдать общие рекомендации, напомнить о которых считаем нелишним. Первая из них касается регулярного контроля давления в шинах и поддержания его в соответствии с требованиями документации на автомобиль. Так, в рамках выполненных испытаний было установлено, что при имитации «прокола» одной из шин среднего моста самосвала его расход топлива возрастает на 4,0…5,0%. Связано это не только с повышенными потерями в оставшемся неповрежденным колесе, но и с уменьшением его радиуса качения. Это следствие того, что вертикальная нагрузка в этом случае воздействует только на одно колесо вместо двух. Поэтому появляется кинематическое несоответствие между колесами одного моста и между колесами мостов задней тележки, которое приводит к дополнительным потерям и в трансмиссии.

Не секрет, что при эксплуатации автомобили, в особенности самосвалы, зачастую работают с перегрузом. Поэтому очень важно устанавливать давление с учетом нагрузки, скорости и режимов движения. Для этого изготовители шин предоставляют покупателю зависимости давления от нагрузки. Пониженное давление, помимо роста расхода топлива, коварно и по другим причинам. Так, оно может стать причиной перегрева и даже возгорания шины. Последствия развития событий по такому сценарию печальны. При низком давлении ухудшаются и характеристики бокового увода, что связано уже с обеспечением безопасной эксплуатации. Давление всегда надо контролировать на «холодных» шинах.

Неправильная установка углов развала и схождения управляемых колес может быть причиной неравномерного износа протектора, увода автомобиля в сторону. Иногда могут появиться вибрации и биение управляемых колес, что может быть следствием дисбаланса колес и даже силовой неоднородности шин. Все эти факторы должны анализироваться, а дефекты — немедленно устраняться, пока они не стали необратимым процессом.

Необходимо регулярно производить визуальный осмотр беговой дорожки и боковин шин на предмет неравномерного износа протектора, наличия на них разрывов и порезов, а также посторонних застрявших в шинах предметов (острых камней, гвоздей, болтов и т. д.), которые следует немедленно удалять. Осмотру подлежат и сами колеса. Не следует допускать эксплуатацию автомобиля, диски которого имеют трещины и другие повреждения. В качестве ремонтной операции трещин диска не рекомендуется сварка — только замена. А если уж без применения сварки на автомобиле вблизи колес не обойтись, то во избежание перегрева и взрыва шины ее лучше демонтировать.

Д. Х. Валеев, главный конструктор ОАО «КАМАЗ»

В. С. Карабцев, главный специалист по испытаниям

Комментарии пользователей

Извините, но у Вас не достаточно прав для добавления комментария.

Авторизация