Для обеспечения равномерного движения автомобиля необходимо постоянно передавать посредством трансмиссии на его движители определенный крутящий момент. Причем величина этого момента имеет достаточное значение даже при небольшой скорости движения транспортного средства (читай малом сопротивлении воздуха) и отсутствии дорожного уклона. Тут достаточно вспомнить с каким трудом, пыхтя и потея, проходят мерное расстояние участники силовых состязаний, когда за их спиной на лямках катиться какая-нибудь n-тонная колымага. В этом случае практически все реализуемое двигателем или атлетом усилие уравновешивается усилием сопротивления качению. Откуда же оно возникает и чем обусловлено? Давайте разбираться.

На автомобильное колесо, взаимодействующее с опорной поверхностью, действуют определенные силы, которые удерживают автомобиль на дороге, передвигают и останавливают его, заставляют изменять направления движения. В процессе взаимодействия колесного движителя с опорной поверхностью деформируется как колесо, так и опорная поверхность. Для автомобиля как транспортного средства наиболее характерен вид движения, при котором деформация опорной поверхности значительно меньше деформации шины. Т. е. характерной особенностью автомобиля является то, что его движителем является система колес с эластичными пневматическими шинами.

Шина деформируется под действием нормальной к опорной поверхности составляющей нагрузки на колесо. Площадь контакта ее с дорогой увеличивается до тех пор, пока не наступит равновесие между нормальной реакцией дороги и нагрузкой. У неподвижной шины контактная поверхность имеет форму, близкую к эллипсу, большая ось которого находится в плоскости симметрии шины. Распределение давления по площади контактной поверхности неравномерное, оно примерно пропорционально деформации шины. Характерная эпюра давлений под неподвижной шиной показана на рис. 1.а.

Рис. 1. Эпюры давлений: a - неподвижной шины; b - катящейся шины.

За один оборот колеса каждый элемент профиля шины подвергается полному циклу нагружения и разгрузки. Зависимость нагрузки dF, передающейся на элемент, от его деформации представлена на графике рис. 2. По мере перемещения элемента шины от точки его входа в пятно контакта с дорожным покрытием (точка 1), к точке, лежащей на малой оси эллипса пятна контакта (точка 2), увеличивается его деформация и, следовательно, воспринимаемая им нагрузка (линия 1-2). При перемещении элемента от точки, лежащей на малой оси эллипса пятна контакта (точка 2), к точке выхода элемента шины из пятна контакта (точка 3) происходит уменьшение деформации, соответственно уменьшаются нагрузки, приходящейся на элемент. На графике линия 2-3, характеризующая зависимость dF=f(h) (h - величина прогиба) при уменьшении деформации, вследствие неизбежных гистерезисных потерь пройдет ниже линии 1-2, показывающей ту же зависимость при увеличении деформации. Площадь, заключенная между линиями нагружения и разгрузки, пропорциональна потерям энергии на деформацию элемента шины при одном обороте колеса. Если быть более точным, то часть подведенной энергии рассеивается в результате внутреннего трения между различными конструктивными элементами шины (слоями корда, наружным слоем корда и брекером, брекером и протектором).

Рис. 2. Деформация элементов шины при качении: dF - нагрузка, h - величина прогиба шины.

Вследствие того, что при одинаковых прогибах в зонах увеличения и уменьшения деформации на элементы шины приходится разная нагрузка, эпюра давлений для катящегося колеса оказывается несимметричной относительно середины контактной поверхности: в передней части контактной поверхности нормальные давления будут большими, нежели в задней. Поэтому равнодействующая нормальных реакций смещена на расстояние а от середины контактной поверхности (см. рис. 1.б). За счет этого смещения создается момент относительно оси колеса:

М_f=a^.R_z, где:

а - расстояние от середины контактной поверхности до точки приложения равнодействующей нормальных реакций дороги;
R_z - нормальная к опорной поверхности составляющая реакции дороги.

Вот этот момент и называют моментом сопротивления качению колеса. Из приведенного видно, что на недеформируемой поверхности момент сопротивления качению обусловлен внутренними (гистерезисными) потерями энергии на деформацию шины. В некоторых случаях он может принимать довольно большие значения. 

Факторы влияющие на величину момента сопротивления качению

При движении автомобиля по твердым дорогам сопротивление качению обусловлено гистерезисными потерями энергии в шине при ее радиальной, тангенциальной и боковой деформациях, скольжением в зоне контакта с опорной поверхностью и сопротивлением воздуха. При этом гистерезисные потери составляют 90...95 % общих потерь энергии.

Сопротивление качению зависит от многих конструктивных и эксплуатационных факторов: конструкции шины, давления в ней воздуха, температуры, нагрузки, скорости движения автомобиля, состояния дорожной поверхности.

В наибольшей степени сопротивление качению зависит от таких конструктивных параметров шин, как число слоев и расположение нитей корда, толщина и состояние протектора. Уменьшение числа слоев корда, толщины протектора, применение синтетических материалов с малыми гистерезисными потерями способствуют снижению сопротивления качению. С увеличением размера шины (диаметра) при прочих равных условиях сопротивление качению также снижается.

Велико влияние эксплуатационных факторов на величину момента сопротивления качению. Так, с повышением давления воздуха в шине и ее температуры сопротивление качению уменьшается. Наименьшее сопротивление качению имеет место при нагрузке, близкой к номинальной. С увеличением степени изношенности шины оно уменьшается.

На дорогах с твердым покрытием сопротивление качению во многом зависит от размеров и характера неровностей дороги, обусловливающих повышенное деформирование шин и подвески и, следовательно, дополнительные затраты энергии. При движении по мягким или грязным опорным поверхностям затрачивается дополнительная работа на деформирование грунта или выдавливание грязи и влаги, находящихся в зоне контакта колеса с дорогой.

Исследования показывают, что при движении автомобиля со скоростью до 50 км/ч сопротивление качению можно считать постоянным. Интенсивное увеличение сопротивления качению наблюдается при скорости свыше 100 км/ч. Объясняется это увеличением затрат энергии при ударах и колебательных процессах, происходящих в шине при высоких скоростях движения.

Скопировано с http://autotheory.by.ru/ с разрешения автора.

24.03.04.

Дополнение от 16.12.12.

Илья Кузнецов прислал ссылку, где тот же вопрос рассмотрен и объяснен несколько иначе.