Opory toczenia - Rolling resistance

Rysunek 1 Twarde koło toczące się i odkształcające miękką powierzchnię, w wyniku czego siła reakcji R z powierzchni ma składnik, który przeciwstawia się ruchowi. ( W to pewne pionowe obciążenie na oś, F to pewna siła holowania przyłożona do osi, r to promień koła, a zarówno tarcie o podłoże, jak i tarcie na osi są uważane za nieistotne i dlatego nie są pokazane. Koło toczy się w lewo ze stałą prędkością). Należy zauważyć, że R jest siłą wypadkową nierównomiernego nacisku na powierzchnię styku koła z jezdnią. To ciśnienie jest większe w kierunku przedniej części koła ze względu na histerezę.

Opór toczenia , czasami nazywany tarciem toczenia lub oporem toczenia , to siła, która stawia opór ruchowi, gdy ciało (takie jak piłka , opona lub koło ) toczy się po powierzchni. Jest to spowodowane głównie efektami nieelastycznymi ; to znaczy, że nie cała energia potrzebna do odkształcenia (lub ruchu) koła, podłoża itp. jest odzyskiwana po usunięciu ciśnienia. Dwie formy tego to straty histerezy (patrz niżej ) oraz trwałe (plastyczne) odkształcenie obiektu lub powierzchni (np. gruntu). Należy zauważyć, że poślizg między kołem a powierzchnią powoduje również rozpraszanie energii. Chociaż niektórzy badacze uwzględnili ten termin w oporach toczenia, niektórzy sugerują, że ten termin rozproszenia należy traktować oddzielnie od oporów toczenia, ponieważ jest on spowodowany przyłożonym do koła momentem obrotowym i wynikającym z tego poślizgiem między kołem a podłożem, który nazywa się stratą poślizgu. lub antypoślizgowość. Ponadto tylko tzw. antypoślizgowość wiąże się z tarciem , dlatego nazwa „tarcie toczne” jest do pewnego stopnia myląca.

Analogicznie do tarcia ślizgowego , opór toczenia jest często wyrażany jako współczynnik pomnożony przez siłę normalną. Ten współczynnik oporów toczenia jest na ogół znacznie mniejszy niż współczynnik tarcia ślizgowego.

Każdy pojazd kołowy z rozpędem będzie stopniowo zwalniał z powodu oporu toczenia, w tym łożysk, ale wagon kolejowy ze stalowymi kołami poruszający się po stalowych szynach będzie toczył się dalej niż autobus o tej samej masie z gumowymi oponami jeżdżący po asfalcie/asfalcie . Czynniki, które przyczyniają się do oporu toczenia to (ilość) odkształceń kół, odkształcenie nawierzchni drogi i ruch pod powierzchnią. Dodatkowe czynniki to średnica koła , obciążenie koła , przyczepność powierzchni, poślizg i względne mikropoślizgi między powierzchniami styku. Straty spowodowane histerezą zależą również silnie od właściwości materiałowych koła lub opony oraz powierzchni. Na przykład opona gumowa będzie miała wyższy opór toczenia na utwardzonej drodze niż stalowe koło kolejowe na stalowej szynie. Również piasek na ziemi da większy opór toczenia niż beton . Jedyny współczynnik oporu toczenia nie jest zależny od prędkości.

Główny powód

Asymetryczny rozkład nacisku między cylindrami tocznymi ze względu na lepkosprężyste zachowanie materiału (toczenie w prawo).

Główną przyczyną oporów toczenia opon pneumatycznych jest histereza :

Właściwość materiału odkształcalnego, taka, że ​​energia odkształcenia jest większa niż energia powrotu. Mieszanka gumowa w oponie wykazuje histerezę. Gdy opona obraca się pod ciężarem pojazdu, doświadcza powtarzających się cykli deformacji i regeneracji, a strata energii z histerezy jest rozpraszana w postaci ciepła. Histereza jest główną przyczyną strat energii związanych z oporami toczenia i jest przypisywana właściwościom lepkosprężystym gumy.

— Narodowa Akademia Nauk

Ta główna zasada jest zilustrowana na rysunku walców tocznych. Jeśli dwa równe cylindry zostaną dociśnięte do siebie, powierzchnia styku jest płaska. W przypadku braku tarcia powierzchniowego, naprężenia kontaktowe są normalne (tj. prostopadłe) do powierzchni kontaktu. Rozważmy cząstkę, która wchodzi do obszaru kontaktu po prawej stronie, przemieszcza się przez obszar kontaktu i opuszcza po lewej stronie. Początkowo jego pionowe odkształcenie narasta, czemu przeciwdziała efekt histerezy. W związku z tym generowane jest dodatkowe ciśnienie, aby uniknąć wzajemnego przenikania się dwóch powierzchni. Później jego pionowe odkształcenie maleje. Znowu przeciwstawia się temu efekt histerezy. W tym przypadku zmniejsza to ciśnienie potrzebne do utrzymania dwóch ciał rozdzielonych.

Wynikowy rozkład ciśnienia jest asymetryczny i przesunięty w prawo. Linia działania z (łącznie) siły pionowej nie przechodzi przez środek walców. Oznacza to, że pojawia się moment, który ma tendencję do opóźniania ruchu toczenia.

Materiały, które mają duży efekt histerezy, takie jak guma, która odbija się powoli, wykazują większy opór toczenia niż materiały z małym efektem histerezy, które odbijają się szybciej i pełniej, takie jak stal lub krzemionka . Opony o niskim oporze toczenia zazwyczaj zawierają krzemionkę zamiast sadzy w swoich mieszankach bieżnika, aby zmniejszyć histerezę niskich częstotliwości bez pogarszania przyczepności. Należy zauważyć, że koleje mają również histerezę w strukturze podtorza.

Definicje

W szerokim znaczeniu, specyficzny „opór toczenia” (dla pojazdów) to siła przypadająca na jednostkę masy pojazdu potrzebna do poruszania się pojazdu po równym podłożu ze stałą niską prędkością, przy której opór aerodynamiczny (opór powietrza) jest nieznaczny, a także gdy nie ma trakcji siły (silnika) lub zastosowane hamulce. Innymi słowy, pojazd jechałby bezwładnie, gdyby nie siła, która utrzymywała stałą prędkość. To szerokie pojęcie obejmuje opór łożyska koła, energię rozpraszaną przez wibracje i drgania zarówno podtorza, jak i pojazdu oraz ślizganie się koła po powierzchni podtorza (chodnik lub szyna).

Ale istnieje jeszcze szerszy sens, który obejmuje energię marnowaną przez poślizg kół spowodowany momentem obrotowym przyłożonym z silnika . Obejmuje to zwiększoną moc wymaganą ze względu na zwiększoną prędkość kół, gdzie prędkość styczna kół napędowych staje się większa niż prędkość pojazdu z powodu poślizgu. Ponieważ moc jest równa sile razy prędkość, a prędkość koła wzrosła, wymagana moc odpowiednio wzrosła.

Czysty „opór toczenia” pociągu to ten, który ma miejsce w wyniku deformacji i możliwego niewielkiego poślizgu na styku koła z nawierzchnią. W przypadku opony gumowej analogiczna strata energii zachodzi w całej oponie, ale nadal nazywa się ją „oporem toczenia”. W szerokim znaczeniu, „opór toczenia” obejmuje opór łożyska koła, utratę energii przez wstrząsanie zarówno nawierzchnią drogi (i ziemią pod spodem), jak i samym pojazdem oraz przez ślizganie się koła, kontakt droga/szyna. Podręczniki kolejowe wydają się obejmować wszystkie te siły oporu, ale nie nazywają ich sumy „oporem toczenia” (szeroko rozumiane), jak to ma miejsce w tym artykule. Po prostu sumują wszystkie siły oporu (w tym opór aerodynamiczny) i nazywają sumę podstawowym oporem pociągu (lub podobnie).

Ponieważ opór toczenia kolei w szerokim znaczeniu może być kilka razy większy niż tylko podane wartości czystego oporu toczenia, mogą być w poważnym konflikcie, ponieważ mogą one opierać się na różnych definicjach „oporu toczenia”. Silniki pociągu muszą oczywiście dostarczać energii do pokonania tego szeroko rozumianego oporu toczenia.

W przypadku opon opór toczenia definiuje się jako energię zużywaną przez oponę na jednostkę przebytej odległości. Nazywa się to również tarciem tocznym lub oporem tocznym. Jest to jedna z sił, które przeciwdziałają ruchowi kierowcy. Głównym tego powodem jest to, że gdy opony są w ruchu i dotykają powierzchni, powierzchnia zmienia kształt i powoduje deformację opony.

W przypadku pojazdów drogowych, część energii jest oczywiście rozpraszana w drganiach jezdni (i ziemi pod nią), drganiach samego pojazdu i ślizganiu się opon. Ale, poza dodatkową mocą wymaganą ze względu na moment obrotowy i tarcie łożyska koła, nie-czysty opór toczenia wydaje się nie być badany, prawdopodobnie dlatego, że „czysty” opór toczenia opony gumowej jest kilkakrotnie wyższy niż opory zaniedbane. .

Współczynnik oporu toczenia

„Współczynnik oporów toczenia” jest określony następującym równaniem:

gdzie
to siła oporu toczenia (pokazana jak na rysunku 1),
jest bezwymiarowym współczynnikiem oporu toczenia lub współczynnikiem tarcia tocznego ( CRF ), oraz
jest siłą normalną , siłą prostopadłą do powierzchni, po której toczy się koło.

jest siłą potrzebną do pchania (lub holowania) pojazdu kołowego do przodu (ze stałą prędkością na płaskiej powierzchni lub zerowym nachyleniu, przy zerowym oporze powietrza) na jednostkę siły ciężaru. Zakłada się, że wszystkie koła są takie same i mają identyczny ciężar. A zatem: oznacza, że ​​holowanie pojazdu ważącego jeden funt zajęłoby tylko 0,01 funta. W przypadku pojazdu ważącego 1000 funtów wymagałoby to 1000 razy większej siły holowniczej, tj. 10 funtów. Można powiedzieć, że jest to lb (siła pociągowa)/lb (masa pojazdu). Ponieważ ten funt/funt jest siłą podzieloną przez siłę, jest bezwymiarowy. Pomnóż to przez 100, a otrzymasz procent (%) masy pojazdu wymagany do utrzymania niskiej stałej prędkości. jest często mnożony przez 1000, aby otrzymać części na tysiąc, co jest tym samym, co kilogramy (kg siły) na tonę metryczną (tonę = 1000 kg), co jest tym samym, co funty oporu na 1000 funtów obciążenia lub niutony/kilo- Newton itd. W przypadku kolei amerykańskich tradycyjnie używano funta na tonę; to jest po prostu . W ten sposób wszystkie są tylko miarami oporu na jednostkę masy pojazdu. Chociaż wszystkie są „specyficznymi odpornościami”, czasami nazywane są po prostu „odpornością”, chociaż w rzeczywistości są współczynnikiem (stosunkiem) lub jego wielokrotnością. Jeśli użyjemy funtów lub kilogramów jako jednostek siły, masa jest równa wadze (w ziemskiej grawitacji kilogram masy waży kilogram i wywiera kilogram siły), więc można by twierdzić, że jest to również siła na jednostkę masy w takich jednostkach. System SI używałby N/tonę (N/T, N/t), która jest siłą na jednostkę masy, gdzie g jest przyspieszeniem ziemskim w jednostkach SI (metrach na sekundę do kwadratu).

Powyższe pokazuje opór proporcjonalny do prędkości, obciążenia , momentu obrotowego , chropowatości powierzchni, średnicy , napompowania/zużycia opon itp., ale nie wykazuje wyraźnie żadnej zmiany , ponieważ sam zmienia się w zależności od tych czynników. Z powyższej definicji mogłoby wynikać, że opór toczenia jest wprost proporcjonalny do masy pojazdu, ale tak nie jest .

Pomiar

Istnieją co najmniej dwa popularne modele do obliczania oporów toczenia.

  1. „Współczynnik oporu toczenia (RRC). Wartość siły oporu toczenia podzielona przez obciążenie koła. Stowarzyszenie Inżynierów Samochodowych (SAE) opracowało praktyki testowe do pomiaru RRC opon. Testy te ( SAE J1269 i SAE J2452 ) są zwykle wykonywane na nowych oponach. Przy pomiarach z zastosowaniem tych standardowych praktyk testowych, większość nowych opon osobowych ma wartości RRC w zakresie od 0,007 do 0,014”. W przypadku opon rowerowych osiągane są wartości od 0,0025 do 0,005. Współczynniki te są mierzone na rolkach, miernikach mocy na nawierzchniach drogowych lub testach wybiegu . W dwóch ostatnich przypadkach należy odjąć wpływ oporu powietrza lub przeprowadzić badania przy bardzo małych prędkościach.
  2. Współczynnik oporu toczenia B , która ma wymiar długości wynosi około (z powodu zbliżenia mały kąt z ) równa wartości walców siły razy Odporność promienia koła podzielonej przez obciążenie koła.
  3. ISO 18164:2005 służy do badania oporu toczenia w Europie.

Wyniki tych testów mogą być trudne do uzyskania dla ogółu społeczeństwa, ponieważ producenci wolą reklamować „komfort” i „wydajność”.

Wzory fizyczne

Współczynnik oporów toczenia dla powolnego sztywnego koła na idealnie sprężystej powierzchni, niedostosowanej do prędkości, można obliczyć ze wzoru

gdzie
jest głębokość tonięcia
jest średnica koła sztywnego

Wzór empiryczny dla kół wagonów żeliwnych na szynach stalowych to:

gdzie
jest średnica koła w calach?
to obciążenie koła w funtach-siła

Jako alternatywę do stosowania można zastosować inny współczynnik oporów toczenia lub współczynnik tarcia tocznego o wymiar długości. Określa go następujący wzór:

gdzie
to siła oporu toczenia (pokazana na rysunku 1),
jest promień koła,
jest współczynnikiem oporu toczenia lub współczynnikiem tarcia tocznego z wymiarem długości, oraz
jest siłą normalną (równą W , a nie R , jak pokazano na rysunku 1).

Powyższe równanie, gdzie opór jest odwrotnie proporcjonalny do promienia r. wydaje się być oparty na zdyskredytowanym „prawie Coulomba” (ani na prawie odwrotnych kwadratów Coulomba, ani na prawie tarcia Coulomba). Zobacz zależność od średnicy . Porównując to równanie z siłą na współczynnik oporu toczenia i rozwiązując b, otrzymujemy b = C rr ·r. Dlatego też, jeśli źródło podaje współczynnik oporu toczenia (C rr ) jako bezwymiarowy współczynnik, można go przekształcić na b, mając jednostki długości, przez pomnożenie C rr przez promień koła r.

Przykłady współczynników oporu toczenia

Tabela przykładowych współczynników oporu toczenia: [4]

C rr b Opis
0,0003 do 0,0004 „Czysty opór toczenia” Stalowe koło kolejowe na stalowej szynie
0,0010 do 0,0015 0,1 mm Łożyska kulkowe ze stali hartowanej na stali
0,0010 do 0,0024 0,5 mm Stalowe koło kolejowe na stalowej szynie. Wagon osobowy około 0,0020
0,0019 do 0,0065 Koła żeliwne samochodu kopalnianego na stalowej szynie
0,0022 do 0,0050 Produkcyjne opony rowerowe przy 120 psi (8,3 bara) i 50 km/h (31 mph), mierzone na rolkach
0,0025 Specjalne opony Michelin do samochodów solarnych / eco-maraton
0,0050 Brudne szyny tramwajowe (standard) z prostymi i zakrętami
0,0045 do 0,0080 Opony do dużych ciężarówek (pół)
0,0055 Typowe opony rowerowe BMX stosowane w samochodach solarnych
0,0062 do 0,0150 Pomiary opon samochodowych
0,0100 do 0,0150 Zwykłe opony samochodowe na betonie
0,0385 do 0,0730 Dyliżans (XIX wiek) na polnej drodze. Miękki śnieg na drodze w najgorszym przypadku.
0,3000 Zwykłe opony samochodowe na piasku

Na przykład w grawitacji ziemskiej samochód o masie 1000 kg na asfalcie będzie potrzebował do toczenia siły około 100  niutonów (1000 kg × 9,81 m/s 2 × 0,01 = 98,1 N).

Zależność od średnicy

Dyliżanse i koleje

Według Dupuita (1837) opór toczenia (powozów kołowych z drewnianymi kołami i żelaznymi oponami) jest w przybliżeniu odwrotnie proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego ze średnicy koła. Zasada ta została zweryfikowana doświadczalnie dla kół żeliwnych (średnica 8" - 24") na szynie stalowej oraz dla kół wozowych z XIX wieku. Ale są inne testy na kołach podwozia, które się nie zgadzają. Teoria walca toczącego się po elastycznej jezdni również podaje tę samą zasadę. Te zaprzeczają wcześniejszym (1785) testom Coulomba toczących się drewnianych cylindrów, w których Coulomb stwierdził, że opór toczenia jest odwrotnie proporcjonalny do średnicy koła (znane jako „prawo Coulomba”) . To kwestionowane (lub niesłusznie stosowane) „prawo Coulomba” wciąż jednak można znaleźć w podręcznikach.

Opony pneumatyczne

Według doniesień w przypadku opon pneumatycznych na twardej nawierzchni wpływ średnicy na opory toczenia jest znikomy (w praktycznym zakresie średnic).

Zależność od zastosowanego momentu obrotowego

Moment napędowy pozwalający na pokonanie oporów toczenia i utrzymanie stałej prędkości na równym podłożu (bez oporów powietrza) można obliczyć ze wzoru:

gdzie
to prędkość liniowa ciała (na osi), a
jego prędkość obrotowa.

Warto zauważyć, że zwykle nie jest równy promieniowi korpusu tocznego w wyniku poślizgu koła. Poślizg między kołem a podłożem nieuchronnie występuje, gdy na koło działa moment napędowy lub hamujący. W konsekwencji prędkość liniowa pojazdu różni się od prędkości obwodowej koła. Warto zauważyć, że poślizg nie występuje w kołach napędzanych, które nie są poddawane działaniu momentu napędowego, w innych warunkach niż hamowanie. Dlatego opór toczenia, czyli strata histerezy, jest głównym źródłem rozpraszania energii w kołach lub osiach napędzanych, podczas gdy w kołach i osiach napędowych rolę odgrywa opór poślizgu, czyli strata na poślizg kół. Znaczenie oporu toczenia lub poślizgu w dużej mierze zależy od siły pociągowej , współczynnika tarcia, normalnego obciążenia itp.

Wszystkie koła

„Przyłożony moment obrotowy” może być momentem napędowym wywieranym przez silnik (często poprzez przekładnię ) lub momentem hamującym wywieranym przez hamulce (w tym hamowaniem odzyskowym ). Takie momenty powodują rozproszenie energii (ponad to ze względu na podstawowy opór toczenia swobodnego toczenia, czyli poza oporami poślizgu). Ta dodatkowa strata jest częściowo spowodowana poślizgiem koła, a w przypadku opon pneumatycznych większe jest ugięcie ścian bocznych z powodu momentu obrotowego. Poślizg definiuje się w taki sposób, że poślizg 2% oznacza, że ​​prędkość obwodowa koła napędowego przekracza prędkość pojazdu o 2%.

Niewielki poślizg procentowy może skutkować oporem poślizgu, który jest znacznie większy niż podstawowy opór toczenia. Na przykład w przypadku opon pneumatycznych 5% poślizg może przełożyć się na 200% wzrost oporów toczenia. Dzieje się tak częściowo dlatego, że siła pociągowa przyłożona podczas tego poślizgu jest wielokrotnie większa niż siła oporu toczenia, a zatem przykładana jest znacznie większa moc na jednostkę prędkości (przypomnijmy moc = siła x prędkość, więc moc na jednostkę prędkości jest tylko siłą). Tak więc tylko niewielki procentowy wzrost prędkości obwodowej z powodu poślizgu może przełożyć się na utratę mocy trakcyjnej, która może nawet przewyższyć straty mocy spowodowane podstawowymi (zwykłymi) oporami toczenia. W przypadku kolei efekt ten może być jeszcze bardziej wyraźny ze względu na niski opór toczenia kół stalowych.

Wykazano, że dla samochodu osobowego, gdy siła pociągowa wynosi około 40% maksymalnej trakcji, opór poślizgu jest prawie równy podstawowemu oporowi toczenia (utrata histerezy). Jednak w przypadku siły pociągowej równej 70% maksymalnej trakcji opór poślizgu staje się 10 razy większy niż podstawowy opór toczenia.

Koła stalowe kolejowe

Aby zapewnić przyczepność do kół, wymagany jest pewien poślizg koła. W przypadku rosyjskich pociągów wspinających się pod górę poślizg ten wynosi zwykle od 1,5% do 2,5%.

Poślizg (znany również jako pełzanie ) jest zwykle w przybliżeniu wprost proporcjonalny do siły pociągowej . Wyjątkiem jest sytuacja, gdy siła pociągowa jest tak duża, że ​​koło jest bliskie znacznego poślizgu (więcej niż tylko kilka procent, jak omówiono powyżej), wtedy poślizg gwałtownie wzrasta wraz z siłą pociągową i nie jest już liniowy. Przy nieco większym nakładzie siły pociągowej koło wymyka się spod kontroli, a przyczepność spada, co powoduje, że koło kręci się jeszcze szybciej. Jest to rodzaj poślizgu, który można zaobserwować naocznie – poślizg, powiedzmy, 2% dla trakcji, jest obserwowany tylko przez przyrządy. Tak szybki poślizg może spowodować nadmierne zużycie lub uszkodzenie.

Opony pneumatyczne

Opór toczenia znacznie wzrasta wraz z przyłożonym momentem obrotowym. Przy wysokich momentach obrotowych, które wywierają na drogę siłę styczną około połowy masy pojazdu, opór toczenia może się potroić (wzrost o 200%). Wynika to częściowo z poślizgu o około 5%. Wzrost oporu toczenia wraz z przyłożonym momentem obrotowym nie jest liniowy, ale rośnie szybciej wraz ze wzrostem momentu obrotowego.

Zależność od obciążenia koła

Koła stalowe kolejowe

Współczynnik oporu toczenia Crr znacznie spada wraz ze wzrostem masy wagonu na koło. Na przykład pusty rosyjski wagon towarowy miał około dwa razy więcej Crr niż załadowany (Crr=0,002 vs Crr=0,001). Ta sama „ekonomia skali” pojawia się w testach wagonów kopalnianych. Teoretyczny Crr dla sztywnego koła toczącego się po elastycznym podłożu drogowym pokazuje Crr odwrotnie proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego obciążenia.

Jeżeli Crr jest sam w sobie zależny od obciążenia koła zgodnie z regułą odwrotnego pierwiastka kwadratowego, to dla wzrostu obciążenia o 2% występuje tylko 1% wzrost oporu toczenia.

Opony pneumatyczne

W przypadku opon pneumatycznych kierunek zmiany Crr (współczynnika oporów toczenia) zależy od tego, czy ciśnienie w oponach wzrasta wraz ze wzrostem obciążenia. Podaje się, że jeśli ciśnienie napompowania wzrasta wraz z obciążeniem zgodnie z (niezdefiniowanym) „harmonogramem”, wówczas 20% wzrost obciążenia zmniejsza Crr o 3%. Ale jeśli ciśnienie inflacji nie ulegnie zmianie, wówczas 20% wzrost obciążenia skutkuje wzrostem Crr o 4%. Oczywiście spowoduje to wzrost oporów toczenia o 20% ze względu na wzrost obciążenia plus 1,2 x 4% ze względu na wzrost Crr skutkujący 24,8% wzrostem oporów toczenia.

Zależność od krzywizny jezdni

Ogólny

Gdy pojazd (pojazd silnikowy lub pociąg kolejowy ) pokonuje zakręt, zwykle wzrasta opór toczenia. Jeśli krzywa nie jest przechylona tak, aby dokładnie przeciwdziałać sile odśrodkowej z równą i przeciwną siłą dośrodkową spowodowaną przechyleniem , wówczas na pojeździe wystąpi niezrównoważona siła boczna netto. Spowoduje to zwiększenie oporów toczenia. Bankowego jest również znany jako „przechyłki” lub „kant” (nie mylić z kolei przechyłki z szyną ). Dla kolei, jest to tzw odporność krzywa ale dla dróg ma (przynajmniej raz) został nazwany oporu toczenia ze względu na zakrętach .

Dźwięk

Tarcie toczne generuje energię dźwiękową (wibracyjną), ponieważ energia mechaniczna jest przekształcana w tę formę energii w wyniku tarcia. Jednym z najczęstszych przykładów tarcia tocznego jest ruch opon pojazdów silnikowych po jezdni , proces, który jako produkt uboczny generuje dźwięk . Dźwięk generowany przez opony samochodowe i ciężarowe podczas toczenia (szczególnie zauważalny przy prędkościach autostradowych) jest spowodowany głównie uderzeniem w bieżnik opony oraz kompresją (a następnie dekompresją) powietrza tymczasowo zatrzymanego w bieżnikach.

Czynniki wpływające na opony

Na wielkość oporu toczenia generowanego przez oponę wpływa kilka czynników:

  • Jak wspomniano we wstępie: promień koła, prędkość jazdy do przodu, przyczepność powierzchni i względny mikropoślizg.
  • Materiał - różne wypełniacze i polimery w składzie opony mogą poprawić trakcję przy jednoczesnym zmniejszeniu histerezy. Zastąpienie części sadzy droższym silanem krzemionkowym jest jednym z powszechnych sposobów zmniejszania oporów toczenia. Wykazano, że zastosowanie egzotycznych materiałów, w tym nanogliny, zmniejsza opory toczenia w oponach gumowych o wysokich osiągach. Rozpuszczalniki można również stosować do pęcznienia opon pełnych, zmniejszając opory toczenia.
  • Wymiary - opór toczenia w oponach jest związany z ugięciem ścian bocznych i powierzchnią styku opony Na przykład przy tym samym ciśnieniu szersze opony rowerowe wyginają się mniej na ścianach bocznych podczas toczenia i tym samym mają mniejsze opory toczenia (chociaż wyższy opór powietrza ).
  • Stopień napompowania - Niższe ciśnienie w oponach powoduje większe ugięcie ścian bocznych i większe opory toczenia. Ta konwersja energii w ścianach bocznych zwiększa opór i może również prowadzić do przegrzania i mogła odegrać rolę w niesławnych wypadkach dachowania Ford Explorer .
  • Nadmiernie napompowane opony (takie jak opony rowerowe) nie mogą obniżyć ogólnych oporów toczenia, ponieważ opona może przeskakiwać i przeskakiwać nad nawierzchnią drogi. Trakcja jest poświęcona, a ogólne tarcie toczne może nie zostać zmniejszone, gdy zmienia się prędkość obrotowa koła i wzrasta poślizg.
  • Ugięcie ściany bocznej nie jest bezpośrednim pomiarem tarcia tocznego. Wysokiej jakości opona z wysokiej jakości (i giętkim) karkasem pozwoli na większe ugięcie na utratę energii niż tania opona ze sztywną ścianą boczną. Ponownie, na rowerze, dobrej jakości opona z elastyczną karkasem nadal będzie się łatwiej toczyć niż tania opona ze sztywnym karkasem. Podobnie, jak zauważył Goodyear opony ciężarowe, opona z karkasem „oszczędzającym paliwo” przyniesie korzyści w postaci oszczędności paliwa przez wiele okresów użytkowania bieżnika (np. bieżnikowanie), podczas gdy opona z „oszczędzającym paliwem” bieżnikiem przyniesie korzyści tylko do momentu zużycia bieżnika w dół.
  • W oponach grubość i kształt bieżnika ma wiele wspólnego z oporami toczenia. Im grubszy i bardziej wyprofilowany bieżnik, tym wyższy opór toczenia. Tak więc „najszybsze” opony rowerowe mają bardzo mały bieżnik, a ciężarówki do dużych obciążeń uzyskują najlepszą oszczędność paliwa w miarę zużywania się bieżnika opony.
  • Efekty średnic wydają się znikome, pod warunkiem, że nawierzchnia jest twarda, a zakres średnic ograniczony. Zobacz zależność od średnicy .
  • Praktycznie wszystkie światowe rekordy prędkości zostały ustanowione na stosunkowo wąskich kołach, prawdopodobnie ze względu na ich przewagę aerodynamiczną przy dużej prędkości, co przy normalnych prędkościach jest znacznie mniej ważne.
  • Temperatura: w przypadku opon pełnych i pneumatycznych opór toczenia zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury (w zakresie temperatur: tj. istnieje górna granica tego efektu). W przypadku wzrostu temperatury z 30 °C do 70 °C opór toczenia zmniejszony o 20-25%. Zawodnicy podgrzewają opony przed wyścigiem, ale jest to wykorzystywane przede wszystkim do zwiększenia tarcia opon, a nie do zmniejszenia oporów toczenia.

Koleje: elementy oporów toczenia

W szerokim sensie opory toczenia można zdefiniować jako sumę składowych:

  1. Straty momentu obrotowego łożyska koła.
  2. Czysty opór toczenia.
  3. Poślizg koła po szynie.
  4. Utrata energii do podłoża (i ziemi).
  5. Straty energii na drgania taboru kolejowego.

Straty momentu obrotowego łożyska koła można zmierzyć jako opór toczenia na wieńcu koła, Crr . Koleje zwykle używają łożysk wałeczkowych, które są albo cylindryczne (Rosja), albo stożkowe (Stany Zjednoczone). Specyficzny opór toczenia w rosyjskich łożyskach zmienia się zarówno w zależności od obciążenia, jak i prędkości koła. Opór toczenia łożyska koła jest najniższy przy dużych obciążeniach osi i prędkościach pośrednich 60–80 km/h przy Crr wynoszącym 0,00013 (obciążenie osi 21 ton). Dla pustych wagonów towarowych o nacisku osi 5,5 tony Crr wzrasta do 0,00020 przy 60 km/h, ale przy niskiej prędkości 20 km/h wzrasta do 0,00024 i przy dużej prędkości (dla pociągów towarowych) 120 km/h to jest 0,00028. Otrzymany powyżej Crr dodaje się do Crr innych składników w celu uzyskania całkowitego Crr dla kół.

Porównanie oporów toczenia pojazdów autostradowych i pociągów

Opór toczenia kół stalowych na stalowej szynie pociągu jest znacznie mniejszy niż w przypadku kół z gumowymi oponami samochodu lub ciężarówki. Waga pociągów jest bardzo zróżnicowana; w niektórych przypadkach mogą być znacznie cięższe na pasażera lub na tonę ładunku netto niż samochód lub ciężarówka, ale w innych przypadkach mogą być znacznie lżejsze.

Jako przykład bardzo ciężkiego pociągu pasażerskiego w 1975 r. Pociągi pasażerskie Amtrak ważyły ​​nieco ponad 7 ton na pasażera, co jest znacznie cięższe niż średnio nieco ponad tonę na pasażera dla samochodu. Oznacza to, że w przypadku pociągu pasażerskiego Amtrak z 1975 r. znaczna część oszczędności energii związanych z niższym oporem toczenia została utracona na rzecz większej masy.

Przykładem bardzo lekkiego, szybkiego pociągu pasażerskiego jest Shinkansen z serii N700 , który waży 715 ton i przewozi 1323 pasażerów, co daje wagę około pół tony na pasażera. Ta mniejsza waga na pasażera w połączeniu z niższym oporem toczenia kół stalowych na stalowej szynie oznacza, że ​​Shinkansen N700 jest znacznie bardziej energooszczędny niż typowy samochód.

W przypadku frachtu CSX przeprowadził kampanię reklamową w 2013 roku, twierdząc, że ich pociągi towarowe przemieszczają „tonę ładunku 436 mil na galonie paliwa”, podczas gdy niektóre źródła twierdzą, że ciężarówki przewożą tonę ładunku około 130 mil na galon paliwa , co oznacza, że ​​pociągi są ogólnie bardziej wydajne.

Zobacz też

Bibliografia

  • Астахов .Н. (w języku rosyjskim) „Сопротивление движению железнодорожного подвижного состава” (Opór ruchu taboru kolejowego) Труды ЦНИИ МПС (ISSN 0372-3305). Выпуск 311 (t. 311). - Москва: Транспорт, 1966. – 178 s. dop. rekord na UC Berkeley (w 2012 r. pełny tekst był w Internecie, ale Stany Zjednoczone były zablokowane)
  • Деев В.В., Ильин Г.А., Афонин Г.С. (w języku rosyjskim) „Тяга поездов” (Trakcja pociągów) Учебное пособие. - М.: Транспорт, 1987. - 264 s.
  • Siano, William W. „Inżynieria kolejowa” Nowy Jork, Wiley 1953
  • Hersey, Mayo D. , „Rolling Friction” Transactions of the ASME , kwiecień 1969, s. 260-275 i Journal of Lubrication Technology , styczeń 1970, s. 83-88 (jeden artykuł podzielony między dwa czasopisma) Z wyjątkiem „Wprowadzenia historycznego” i przegląd literatury, dotyczy to głównie badań laboratoryjnych kół żeliwnych dla kolei kopalnianych o średnicach od 8” do 24 wykonanych w latach 20. (prawie półwieczne opóźnienie między eksperymentem a publikacją).
  • Hoerner, Sighard F., „Fluid dynamic drag”, opublikowany przez autora, 1965. (Rozdział 12 to „Pojazdy lądowe” i obejmuje opór toczenia (pociągi, samochody, ciężarówki).)
  • Roberts, GB, „Marnotrawstwo energii w oponach”, Międzynarodowa Konferencja Gumy, Waszyngton, DC 1959.
  • US National Bureau of Standards, „Mechanika opon pneumatycznych”, Monografia nr 132, 1969-1970.
  • Williams, JA Inżynieria trybologia”. Oxford University Press, 1994.

Zewnętrzne linki