Kretanju automobila po kolniku suprotstavlja se niz otpora, zajedničkog naziva, otpori vožnje. To su otpor kotrljanja kotača, otpor zraka, otpor ubrzanja, otpor penjanja i otpor u transmisiji. U drugom dijelu serijala “Dinamika vozila” tema je otpor kotrljanja kotača.
Da ne bi bilo brkanja pojmova i značenja, ovdje nije riječ o otporu trenja, nego otporu kotrljanja, koji nije vezan za trenje između gume i podloge (koje može biti trenje kotrljanja, trenje klizanja i mješovito), niti gubitke u ležajima kotača, jer oni iznose samo 1% otpora kotrljanja (dakle zanemarivo), već na gubitke, odnosno otpore kao posljedica deformacija guma (pneumatika) i asfaltne podloge te trenja (kohezijskog i adhezijskog), o čemu će biti riječ u trećem dijelu serijala, koje se između njima.
Kad je riječ o deformacijama pneumatika one su u gumama elastične, a kod asfalta elastične i plastične. Zbog ovih drugih, na asfaltu nastaju uzdužni utori, posebice ljeti, a mogu nastati i pukotine. To je posebice povezano s gospodarskim, teretnim vozilima te se zbog toga osovinsko opterećenje ograničava i kontrolira, posebice u razvijenim zemljama EU-a.
Pri deformacijama kotača i asfalta nastaje unutarnje trenje, a na dodirnoj plohi vanjsko trenje (kohezijsko i adhezijsko), o čemu pročitajte u sljedećem nastavku serijalu.
Kad je u pitanju kontakt kotača i podloge, imamo tri slučaja:
Tvrda podloga – mekani kotač: stanje je u cestovnom prometu te zračnom (na uzletno-sletnoj stazi), kotrljanjem kotača s gumama (pneumaticima) po asfaltnoj, betonskoj ili tvrdoj zemljanoj podlozi (makadamu).
Mekana podloga – tvrdi kotač: nastaje u terenskim uvjetima, kod terenaca, vojnih i poljoprivrednih vozila. Kotači su tada relativno tvrdi, u usporedbi s podlogom, osim u slučaju gusjeničara (oni nemaju klasične kotače), koji su apsolutno tvrdi.
Tvrda podloga – tvrdi kotač: slučaj je kod tračničkih vozila.
Dakle, znamo zašto nastaje trenje, a sada mehaničko objašnjenje nastanka sile trenja:
Kad se tvrdi kotač kotrlja po tvrdoj podlozi, tada nema deformacija u kontaktu te je kontaktna površina mala, a komponenta težine ima reakciju podloge, istog iznosa suprotnog smjera, u istoj osi.
Ako pak imamo velike deformacije u kontaktu gume i asfalta, neovisno je li riječ o tvrdom kotaču/mekanoj podlozi ili imamo mekani kotač/tvrdu podlogu, kontaktna površina postaje velika i raspored pritiska gume na asfaltnu podlogu poprima oblik parabole.
1. Dok kotač miruje žuta parabola je simetrična oko vertikalne (na naslovnoj slici je asimetrična i pomaknuta u desno) osi kotača te je reakcija podloge na kotač N, istog iznosa kao opterećenje kotača G, ali suprotnog smjera u osi kotača.
2. Kad se kotač počne okretati, parabola, odnosno paraboloidna krivulja postaje asimetrična (kao na naslovnoj slici), jer se s prednje strane kotača pritisku gazne plohe gume, uslijed težine automobila pribraja pritisak uslijed elastičnog opterećenja (ugibanja) same gume, a sa stražnje strane nastaje elastično rasterećenje koje se oduzima od pritiska uslijed težine automobila te se reakcija podloge pomiče u smjeru gibanja vozila za iznos d . Tada sila N na razmaku d stvara moment N x d koji se suprotstavlja pogonskom. To je i “moment otpora kotrljanja”.
3. Iz navedenog se izračunava faktor kotrljanja: ako uzmemo iznos vučne sile koja se suprotstavlja otporu kotrljanja Fr u horizontalnoj osi kotača, ona u točki kontakta, pomnožen s dinamičkim radijusom kotača (onaj koji ovisi o deformaciji pneumatika u vožnji) stvara aktivni moment Fr x rd (rd je dinamički radijus kotača). Tom se momentu suprotstavlja pogonski moment (njegov se dio troši na svladavanje otpora kotrljanja.
4. Postavljanjem u jednadžbu aktivnog i reaktivnog momenta, dobivamo Fk x rd = N x d, odnosno dio vučne sile koji se angažira za svladavanje otpora kotrljanja iznosi Fk = d/rd x N
5. Kvocijent d/rd je faktor otpora kotrljanja fk, koji kod automobilske gume iznosi oko 0,01 (kod guma niskog otpora kotrljanja 0,007 – 0,008), dakle otpor kotrljanja automobilskih kotača otprilike je jedan posto ukupne težine automobila ili nešto manji.
6. Iz svega navedenog jasno je da je otpor kotrljanja manji, ako je deformacija gume u kontaktu s asfaltom čim manjem dakle ako je tlak zraka viši.. Tada je baza parabole pritiska gume na asfalt manja, a samim tim i iznos k je manji. Time je manji kvocijent d/rd, dakle i faktor otpora kotrljanja fk.
Iz prethodnog jasno proizlazi zbog čega se smanjenjem tlaka zraka u gumi povećava otpor kotrljanja, a time i habanje gume:
Tlak zraka u gumi niži za 0,2 bara od propisanog potrošnju goriva povećava za 1% i trajnost gume skraćuje za 10%, ako je niži za 0,4 bara, potrošnja goriva povećava se za 2%, a trajnost guma skraćuje za 30%. Ako se, pak, gume ispušu za 0,6 bara, potrošnja goriva će se smanjiti za 4%, a vijek guma skratiti za čak 45%!
To je i tajna učinkovitosti željeznice, čije lokomotive razmjerno malom snagom mogu vući golem teret – deformacije čeličnih kotača i čeličnih tračnica zanemarivo su male, pa je faktor otpora kotrljanja desetak puta manji nego kod automobilske gume – vlak stvara otpor kotrljanja otprilike jedan promil (0,001) težine, ili nešto manji.
Važnost otpora kotrljanja, zbog utjecaja na potrošnju goriva i emisiju štetnih plinova vidi se i po novim obvezujućim oznakama, gdje je naveden uz ostale dvije bitne značajke (držanje na mokrom i stvaranje buke). Podijeljen je u devet kategorija.
Što se događa u tri glavne osi automobila (x, y, z)?