gumiabroncs

Mit kell legyőznünk? Menetellenállások (1. rész)

2014.08.15.

Mint általában az életben: az ellenállásokat. Nincs ez másképpen az autó haladásakor sem, itt az ellenállásokat menetellenállásnak nevezzük. Ez tisztán fizika, alapjaiban egyszerű. Az ellenállásokat mérsékelni viszont nem egyszerű, ez kutatók, tervezők sokaságát foglalkoztatja.

Az autó, amikor halad, motorjával menetellenállásokat kell leküzdenie. A motor munkájából a kerekek és az út kapcsolódási pontján kialakuló ún. vonóerőnek kell egyensúlyt tartania a menetellenállásokból eredő erők összegével, eredőjével. A járműre ható erők mindig egyensúlyban vannak. Ez statikus egyensúlyban lehet, akkor az autó egyenletes sebességgel halad és lehet dinamikus egyensúlyban, akkor az autó gyorsul. Az autót a külső ható tényezők nemcsak gátolják a mozgásában, hanem segítheti is. Ez a lejtő és a hátszél (pláne ha lenne vitorlánk…).

Az autó menetellenállása lehet külső és belső.

A legismertebb külső menetellenállást a légellenállás adja.

A gumiabroncs gördülő vagy gördülési ellenállását részben külső tényező, az út felület jellemzői, másrészben belső tényező, az abroncs „gyúrása” együtt adja meg.

Az emelkedési ellenállás a pálya meredekségétől függ, de azt, hogy mekkora erőt kell kifejteni hegymenetben (adott meredekségnél), azt az autó tömege határozza meg.

Ha gyorsulni akarunk, akkor a gyorsítandó tehetetlen tömeg áll ellen. Az autó mérlegelt tömege adja az egyik ellenállási tényezőt, míg a forgó tömegek tehetetlensége a másikat. Minden, ami forog és a forgását gyorsítani akarjuk, ellen áll, tehát a felgyorsításhoz nyomaték kell, minél nagyobb gyorsulást akarunk elérni, annál nagyobb vonóerőt, illetve forgatónyomatékot kell kifejteni.

Tehát a menetellenállások az alábbiak:

- gördülési ellenállás,

- légellenállás,

- emelkedési ellenállás,

- gyorsítási ellenállás.

 

A menetellenállásokat „pénztárcánkkal” küzdjük le. Az nem mindegy, hogy mennyit fogyaszt az autó, hogy kifejtse a menetellenállások legyőzéséhez szükséges erőt.

A csökkentésnek három oldala van:

- a menetellenállás csökkentése (ez a fizikai határokon belül – vajon ismerjük a határokat? – kutatási eredményeken alapuló tervezői konstrukciós feladat),

- az erőforrás és a hajtáslánc hatásfokának növelése (az előző mondható el itt is),

- az autóvezetés módja.

Megkezdjük kalandozásunkat a menetellenállások területén.

Kezdjük a gördülési ellenállással!

A Wikipédia szócikke szerint:

„Gördülő ellenállás az az ellenállás (erő, nyomaték), amely akkor lép fel, ha egy testet egy másikon legördítünk. Fellép például gördülőcsapágyakon, gépkocsi kerékabroncson. A gördülési ellenállás a görgő, a kerék vagy abroncs és a pálya deformációjából ered. Például a gumiabroncs gördülési ellenállása nagyobb, mint az acélból készült vasúti kocsi kerekének ellenállása. Hasonlóképpen a homok vagy beton nagyobb ellenállást okoz, mint a kemény acél vasúti sín. A gördülő ellenállás általában sokkal kisebb, mint a száraz csúszósúrlódás.”

Mi csak a szilárd, sima útfelületen gördülő gumiabroncs ellenállását taglaljuk, így a besüppedő talajon haladás nem témánk. Ez azonban fontos a terepjárásnál, mezőgazdasági – szántóföldi – erőgépeknél.

A gördülési ellenállás csak a gumiabroncs jellemzőin, terhelésen múlik. A gördítés ellenállása az abroncs belső gyúrási, deformációs munkája miatt alakul ki. Példaként felhozhatjuk, hogy egy gumilabdát, ha adott magasságról leejtünk, az nem fogja visszapattanáskor elérni a kiinduló szintet. A labda deformációja energiát emészt fel.
Gördülő ellenállás számításához szolgál az alábbi ábra. Az ábrán az erőjáték látható.

Az r sugarú kerék a függőlegesen lefelé irányuló G erővel nyomja a pályát, ennek reakcióereje az N felfelé mutató erő, amely azonban nem a kerék tengelyének függőlegesében, hanem attól d távolságra ébred. A vontatáshoz szükséges erő FR. A G és N erők alkotta erőpár M nyomatékot okoz:

M = G x d

A vontató FR erőnek ezzel kell egyensúlyt tartania. Ha például jármű kerekéről van szó, ott ez a vízszintes erő a kerék tengelyében hat, mellyel a keréknek a talajt érintő pontján ébredő száraz súrlódás ereje tart egyensúlyt. Ez a két erő is erőpárt alkot, melynek távolsága a kerék r sugara:

M = FR x r

A két nyomaték egyenlő, így a gördülő ellenállás ereje így írható:

FR = (d/r) x G

Másrészről a gördülési ellenállást a száraz súrlódáshoz hasonlóan így is szokás írni:

FR = f x G

Ahol f a gördülési ellenállási tényező:

f = d/r

A gördülő „f” súrlódási tényező hozzávetőleges értékei

Gördülőelem/pálya

0,0005–0,001

Golyóscsapágy, Golyó és csapágygyűrűk edzett acélból[1]

0,001–0,002

Vasúti kocsi kereke sínen[2]

0,007

Gumiabroncs aszfalton

0,006–0,010

Tehergépkocsi gumiabroncs aszfalton

0,013–0,015

Személygépkocsi gumiabroncs aszfalton

0,01–0,02

Gumiabroncs betonon[3]

0,020

Gumiabroncs kavicson

0,015–0,03

Gumiabroncs kockakövön[3]

0,03–0,06

Gumiabroncs kátyús úton[3]

0,045

Lánctalp kocsiúton (például a német Leopard 2 páncélos)

0,050

Gumiabroncs földúton

0,04–0,08

Gumiabroncs homokban

0,07–0,08

Erősen bordázott mezőgazdasági gumiabroncs (Caterpillar Challenger und John Deere 8000T) aszfalton

0,2–0,4

Gépkocsi gumiabroncs futóhomokban

Forrás: Wikipedia

Nézzük meg ezek után, hogy az előző, kissé tankönyv ízű elméleten túl, miként is vannak a dolgok a valóságban.

A felelős „felső akarat” – legyen ez az EU – a közlekedési energiafogyasztás és ezzel együtt a széndioxid kibocsátás csökkentése és a közlekedésbiztonság növelése érdekében az autótechnikában előírásokat fogalmaz meg. Ebből nem maradnak ki a gépjárművek gumiabroncsai sem.

Ahogy az energiafogyasztási osztályba sorolási címke a hűtőgépen, vagy mosógépen a vásárlóknak nagyon jó tájékoztatást ad, úgy a gumiabroncs címke is segít a vásárlásban. Sőt, ez lényegesen összetettebb: a fogyasztásra gyakorolt hatása, a nedves tapadás és a zaj is osztályozott. Bizony célszerű ezt nem figyelmen kívül hagyni! (Ne mindig csak a legolcsóbb ár legyen a szempont.)

Az előírások a gyártóknak minimálisan teljesítendő értékhatárt is adnak és besorolási rendszert is tartalmaznak, hogy a jobbak e szerint meg tudják mutatni magukat, piaci előnyre tehessenek szert. Nevezetesen a gumiabroncsokat címkézni kell, erről már e rovatban is írtunk és egyébként reméljük, hogy az autósok részéről közismert. Tehát a tudomány belépett a hétköznapi életünkbe.

A mai leckénk ezen címkeinformáción belül a fogyasztásra utaló besorolás megismerése. És ez nem más, mint a gördülési ellenállás értéke. Ha egy abroncsnak kicsi a gördülési ellenállása, akkor ennek leküzdésére kevesebb energiát kell fordítanunk a „pénztárcánkból”. Ahogy azt az itt megismételt címkép mutatja, ha az autót tolnunk kell, akkor sík úton nem mást, csak a gumiabroncsok gördülési ellenállását kell legyőznünk. (Célszerű szólnunk a kormánynál ülőnek, hogy vegye ki sebességből és ne nyomja a féket sem…)

A címke első oszlopa mutatja az abroncs gördülési ellenállását, áttételesen a tüzelőanyag fogyasztásra gyakorolt hatását.

Látjuk, hogy gyakorlatilag 6 osztály van: A-B-C-E-F-G. Az A osztályba sorolt abroncs a leggazdaságosabb.

Vizsgáljuk meg, hogy műszakilag milyen paraméter alapján történik a besorolás. (Mi csak a személygépjárművek abroncsait tárgyaljuk, ezek csoportja a C1.)

A jellemző a gördülési ellenállás, illetve a gördülési ellenállási tényező. Ezt az előírások angol rövidítéssel jelölik: RRC (Rolling Resistance Coefficient).

Értékét próbapadon mérik az ENSZ EGB (UN ECE) Reg.117.02 előírásban foglaltak szerint, mely egyezik az ISO28580 szabvánnyal. Az alábbi táblázatból az kiderül, hogy ezeket a mérések vizsgáló (minősítő) laboratóriumban végzik, próbapadokon (Indoor Method – machine test). Az előírások függnek attól, hogy típusvizsgálat (Type Approval) a cél vagy a címkézés (Labelling).

A vizsgálóberendezés végeredményben a gördülési ellenállási erőt méri. Az abroncsot neki szorítják a nagy átmérőjű (1,7 m sugarú) dobnak, a dobot forgatják a gumiabroncs gördülési ellenállása ellenében.

A mérőberendezés látható a következő képen.

Az RRC, tehát a gördülési ellenállási tényező dimenzió nélküli szám, tehát nincs mértékegysége. Pontosabban viszonyszám, esetünkben erő/erő. Mértékegységben N/kN. Azt mondja meg, hogy az abroncs útfelületre merőleges 1 kN terhelésekor hány Newton erő kell a gördítéséhez.

A címkén és a mellette lévő táblázatban (lásd korábbi képünket!) az A osztályú abroncsnál a gördítéshez kisebb vagy egyenlő 6,5 N erő kell, míg a legrosszabb esetben ez nagyobb, mint 12,1 N.

Mit keres a hivatalos táblázatban (lásd a képünket!) és az európai előírásokban, valamint az átvett, lefordított anyagban mértékegységként a [kg/tonna]. Sehogyan sem jó! És az SI mértékegységnek sem felel meg. Egyszerűen rossz!

A gumiabroncs gördülési ellenállása – mint már elemeztük - szoros összefüggésben áll a járművek tüzelőanyag-fogyasztásával és ezáltal a széndioxid kibocsátással. A gördülési ellenállás tulajdonképpen nem más, mint a vezetés közben az útfelület és a gördülő autógumi között folyamatosan fennálló hatás. Miközben az autógumi futófelülete érintkezik az útfelülettel, minden fordulatnál deformálódik és torzul. Ez az alakváltozás az autógumi felmelegedésével és energia leadásával jár. A gördülési ellenállás leküzdéséhez vonóerő szükséges. A vonóerő létrehozásához pedig tüzelőanyag. Gondoljunk úgy a gördülési ellenállásra, mintha a gépkocsinak állandóan egy 1%-os emelkedőn kellene felmennie.

A gördülési ellenállás leküzdése a gépkocsik tüzelőanyag-fogyasztásának kb. 15%-át teszi ki. A gördülési ellenállás kb. 40 km/h sebességig a meghatározó menetellenállás állandó sebességű haladásnál. Ebből jól látható, hogy a kis gördülési ellenállással rendelkező abroncsok segíthetik a tüzelőanyag megtakarítást.

Az abroncscímke jelölése szerint az „A" osztályba tartozó, alacsony gördülési ellenállással rendelkező autógumik, akár 7,5%-kal is csökkenthetik a gépjármű fogyasztását a „G" osztályba tartozókhoz képest.

Napjainkban egy kis gördülési ellenállású gumiabronccsal bárki csökkentheti gépkocsijának fogyasztását.

Néhány adat a Michelin-től, tőlük idézünk. Becsléseik szerint világszerte 12 milliárd liter a megtakarított tüzelőanyag 1992 óta a MICHELIN Energy takarékos gumiabroncsok használatával. 1992 óta több mint 400 millió Michelin alacsony gördülési ellenállású gumiabroncsot értékesítettek Európában. 1992 óta a MICHELIN Energy energiatakarékos gumiabroncsok alkalmazása elképesztő mértékben, 30 millió tonnával csökkentette a gépkocsik CO2-kibocsátását. Ha az összes európai személygépkocsira Michelin Energy gumiabroncsot szerelnének fel, akkor évente körülbelül 3 milliárd liter (mintegy 100 000 tanker) tüzelőanyagot lehetne megtakarítani. Természetesen más gumiabroncs-gyártóknak is vannak A vagy B besorolású abroncsai.

A gördülési ellenállás a legjobb anyagú, szerkezetű abroncsnál is változik a levegő nyomásával, a terheléssel és kis mértékben a sebességgel. Ha a levegő nyomása a névleges alá csökken vagy a terhelés nem megengedett értékű – a gördülési ellenállás lényegesen megnő.

Ne felejtsük el a gumiabroncs nyomását a gépkocsi terheléséhez igazítani!

Ez nem csak a fogyasztásnak tesz jót, hanem abroncs szerkezetét is megóvja. Különösen igaz ez mostanában, amikor az autóval a család nyaralni megy és sokan legszívesebben még a háromajtós hálószoba szekrényt is magukkal vinnék…

Menetellenállásokat taglaló sorozatunk következő részben a légellenállással foglalkozunk. Ennek kutatásában jelentős a magyarok szerepe.

 

Dr. Nagyszokolyai Iván

az Autótechnika főszerkesztője

(Az Autótechnika folyóiratban a témához kapcsolódó számtalan szakmai cikk jelent meg, ezek a lap előfizetőinek visszamenőleg is olvashatóak a http://autotechnika.hu oldalon. További információt is itt találhatnak.)

 

Az oldal fő támogatója

 

2020.08.08
A magyar rendőrök a spanyol hatóságok által körözött járművet foglaltak le a Csanádpalota autópálya....
2020.08.08
A Mercedes brit pilótája volt a leggyorsabb a Forma-1-es 70. évforduló Nagydíja pénteki második....
2020.08.08
A drónok, a mesterséges intelligencia és az építészet területén alakulhat ki leginkább....
2020.08.08
Cristiano Ronaldo most éppen 8 millió euróért vásárolt magának egy álomautót. A világhírű portugál....
2020.08.07
Legalább tizenhatan meghaltak, több mint százan - közülük sokan súlyosan - megsérültek az Air India....
2020.08.07
Sokáig a Haris birodalom szürke eminenciásaként dolgozott, napjainkban ismert és elismert....
2020.08.07
A dél-korai autógyártó közzé tette az első grafikákat a Korandón alapuló, tisztán elektromos....
2020.08.07
Lewis Hamilton, a Mercedes brit pilótája volt a leggyorsabb a Forma-1-es 70. évforduló Nagydíja....
2020.08.07
Ba Bilig Kínából küldte rajzát az Autós Nagykoalíció és az autoszektor.hu karikatúra pályázatára. ..
2020.08.07
A négy évtized után feltámasztott BMW Junior Team három tehetsége, Dan Harper, Max Hesse és Neil....