Сопротивление качению шин

Сопротивление качению — это сила, возникающая при движении колеса по опорной поверхности, препятствующая его качению и приводящая к потерям энергии. Она возникает в результате гистерезисных потерь в материале шины, деформации дорожного покрытия, трения в контакте шины с дорогой и аэродинамического сопротивления вращению колеса. Сопротивление качению является одним из основных факторов, определяющих топливную экономичность автомобиля и его выбросы углекислого газа.

Физическая природа и механизм возникновения

Сопротивление качению принципиально отличается от трения скольжения. При качении идеально упругого колеса по твёрдой поверхности теоретически никаких потерь энергии не происходит. Однако реальные шины изготавливаются из вязкоупругих материалов (резины), которые при деформации не возвращают полностью затраченную энергию. Часть энергии рассеивается в виде тепла — это явление называется гистерезисом.

При качении колеса под нагрузкой происходит следующее:

1. Деформация шины: В зоне контакта с дорогой шина сплющивается. Передняя часть шины сжимается, а задняя — восстанавливает форму.
2. Несимметричность распределения давления: Из-за гистерезиса восстановление формы происходит с задержкой. В результате давление в задней части пятна контакта оказывается ниже, чем в передней. Возникает момент сил, направленный против вращения колеса.
3. Образование силы сопротивления: Для преодоления этого момента требуется приложить дополнительную силу — силу сопротивления качению (Fк). Она направлена противоположно движению и пропорциональна нормальной нагрузке на колесо (N).

В упрощённом виде сила сопротивления качению рассчитывается по формуле:

**Fк = f * N**

где:

• Fк — сила сопротивления качению (Н);
• f — коэффициент сопротивления качению (безразмерная величина);
• N — нормальная нагрузка на колесо (Н).

Коэффициент сопротивления качению (f) является ключевой характеристикой, зависящей от множества факторов.

Коэффициент сопротивления качению

Коэффициент сопротивления качению (КСК) — это отношение силы сопротивления качению к нагрузке на колесо. Он не имеет размерности и обычно выражается в тысячных долях (например, 0,006 — 0,015 для легковых автомобилей на асфальте). Чем ниже КСК, тем меньше энергии теряется на преодоление сопротивления.

Факторы, влияющие на коэффициент сопротивления качению

1. Материал и конструкция шины:

• Состав резиновой смеси: Высокогистерезисные смеси (с большим содержанием сажи) обеспечивают лучшее сцепление, но увеличивают сопротивление качению. Низкогистерезисные смеси (с добавлением диоксида кремния — силики) снижают потери.
• Конструкция каркаса: Радиальные шины имеют более низкое сопротивление качению по сравнению с диагональными, так как их боковины деформируются с меньшими потерями энергии.
• Рисунок протектора: Глубокий и агрессивный рисунок (внедорожные шины) увеличивает деформацию и, следовательно, сопротивление. Дорожные шины с гладким протектором (слики) имеют минимальное сопротивление.
• Давление воздуха: Снижение давления увеличивает деформацию шины, что ведёт к росту гистерезисных потерь и, соответственно, сопротивления качению. Повышение давления до определённого предела снижает сопротивление, но ухудшает сцепление и комфорт.

1. Условия эксплуатации:

• Скорость движения: С ростом скорости сопротивление качению увеличивается, особенно за счёт аэродинамической составляющей (сопротивления воздуха вращению колеса) и роста температуры шины. При высоких скоростях (свыше 120–150 км/ч) рост КСК может быть значительным.
• Температура: При низких температурах резина становится более жёсткой, гистерезисные потери возрастают, и КСК увеличивается. При прогреве шины КСК снижается.
• Тип и состояние дорожного покрытия: На твёрдом и ровном асфальте сопротивление минимально. На грунте, гравии или снегу оно резко возрастает из-за дополнительных потерь на деформацию покрытия. На мокрой дороге сопротивление качению может быть несколько выше, чем на сухой.
• Нагрузка и крутящий момент: Увеличение вертикальной нагрузки ведёт к пропорциональному росту силы сопротивления, но КСК может незначительно меняться. При передаче крутящего момента (разгон, торможение) сопротивление качению возрастает.

Типичные значения коэффициента сопротивления качению

Влияние на эксплуатационные характеристики

Топливная экономичность и экология

Сопротивление качению является одним из главных факторов, определяющих расход топлива. На легковых автомобилях при движении в городском цикле до 20–30% энергии двигателя тратится на преодоление сопротивления качению, а на трассе — до 15–20%. Снижение КСК на 10% может уменьшить расход топлива на 1–3% в зависимости от режима движения.

В связи с этим, в Европейском союзе и других странах введены требования к маркировке шин по топливной эффективности (классы от A до G). Шины класса A имеют наименьшее сопротивление качению, класса G — наибольшее. Снижение сопротивления качению шин является одной из мер для уменьшения выбросов CO₂ автотранспортом.

Управляемость и безопасность

Снижение сопротивления качению часто вступает в противоречие с требованиями безопасности. Шины с низким КСК обычно имеют меньший коэффициент сцепления, особенно на мокрой дороге. Это связано с тем, что для снижения гистерезиса используются более жёсткие резиновые смеси, которые хуже адаптируются к микронеровностям дороги. Поэтому производители шин ищут компромисс между топливной экономичностью и сцепными свойствами.

Комфорт

Шины с высоким сопротивлением качению, как правило, обеспечивают лучший комфорт, так как они более эластичны и лучше поглощают неровности дороги. Шины с низким сопротивлением могут быть более жёсткими и шумными.

Методы снижения сопротивления качению

1. Оптимизация конструкции шины:

• Использование радиального каркаса.
• Применение лёгких и прочных материалов (арамид, нейлон) для брекера и каркаса.
• Оптимизация профиля шины (увеличение ширины и уменьшение высоты профиля может снизить деформацию).

1. Совершенствование резиновых смесей:

• Замена технического углерода (сажи) на диоксид кремния (силику) в сочетании с функциональными полимерами. Это позволяет снизить гистерезис без существенного ухудшения сцепления.
• Использование «зелёных» масел и смол.

1. Поддержание оптимального давления:

• Регулярная проверка и поддержание давления в шинах на уровне, рекомендованном производителем автомобиля.

1. Использование систем контроля давления в шинах (TPMS):

• Автоматическое предупреждение водителя о снижении давления.

Интересные факты

• Самое низкое сопротивление качению среди серийных шин для легковых автомобилей имеют так называемые «экошины» (Energy Saving), которые часто устанавливаются на гибридные и электромобили. Их КСК может составлять менее 0,006.
• Для железнодорожного транспорта (стальное колесо по стальному рельсу) коэффициент сопротивления качению составляет 0,001 – 0,002, что на порядок меньше, чем для автомобильных шин. Это одна из причин высокой энергоэффективности поездов.
• В велосипедных шинах сопротивление качению также критично. Профессиональные гоночные шины имеют КСК около 0,003, что достигается за счёт очень высокого давления и тонкого, гладкого протектора.

Источники

1. Журнал «За рулём», статьи о шинах и топливной экономичности.
2. Материалы конференций Tire Technology Expo (Ганновер).
3. Стандарты ISO 28580:2009 «Методы испытаний шин для легковых автомобилей, грузовых автомобилей и автобусов — измерение сопротивления качению».
4. Исследования компании Continental AG по влиянию состава резиновых смесей на сопротивление качению.
5. Учебник «Автомобильные шины» под редакцией В.И. Кнорозова (М.: Машиностроение).