Приведены результаты исследования контроля давления в шинах электромобилей для проверки возможности прохождения расстояния без работы двигателя при различных значениях, для ответа на вопрос, какой автомобиль и в зависимости от чего будет более экономичным, что является актуальным для повышения безопасности на дорогах. Показано, что с ростом давления в шинах повышается проходимое расстояние, из чего можно сделать вывод об уменьшении расхода электроэнергии электромобилями. Введен коэффициент, помогающий определить выгодный в потреблении электромобиль. Проведенные измерения и соответствующие расчеты показали, что при прочих равных условиях выгоднее с точки зрения электропотребления электромобиль, имеющий меньшее отношение его массы к радиусу колеса.
Ключевые слова: давление в шинах, электромобиль, работа, кинетическая энергия, массогабаритный коэффициент.
Введение
Давление в шинах играет ключевую роль в обеспечении комфортной и безопасной езды. Неправильное давление может негативно сказаться на управлении автомобиля, увеличить расход топлива, расход энергии и даже привести к аварийным ситуациям. В связи с чем тема исследования представляется весьма актуальной.
В работе рассмотрено, как давление в шинах влияет на безопасность электромобилей, что происходит при неправильном накачивании шин, и как это негативно влияет на безопасность движения.
Неверное выбранное давление в шинах влияет на устойчивость, управляемость и тормозные свойства автомобилей. Шины быстрее стираются и рисунок их стирается.
Правильное давление в шинах положительно сказывается на управлении автомобиля, улучшает показатели эффективной работы электромобилей.
Цель исследования:
1) изучить взаимосвязь между давлением в шинах и движением электромобиля без участия двигателя и показать, как изменяется расход электроэнергии и безопасность движения;
2) провести исследование зависимости расстояния, проходимого без участия двигателя от массы электромобиля и размера его колеса.
Основная часть
Давлением в шинах подразумевается сила, которую воздух оказывает на резину изнутри, равномерно распределяясь по ее поверхности. Правильно накачанные шины обеспечивают [1]:
– длительный срок службы;
– оптимальное управление автомобилем;
– высокий уровень безопасности на дороге.
Износ шин. Он приводит к неисправности, а также меняется сам рисунок на шине, что сказывается на работе автомобиля. Изменение рисунка шин также влияет на безопасность вождения, т. к. чем меньше высота рисунка, тем хуже шина справляется на мокрой дороге во время дождя, грязи. Может произойти занос.
Повышенный износ шин. Он происходит если давление в шинах маленькое, ниже нормы, то стирается рисунок сбоку, а если выше нормы, то по центру шины.
Снижение управления. Электромобиль имеет небольшую массу и при не рекомендуемом давлении в шинах заводом-изготовителем теряет управление на дороге, чаще всего на поворотах или при торможении.
Снижение безопасности. Если давление не соответствует норме, то шины сильно нагреваются и может произойти взрыв, что потом приводит к тому, что автомобиль становится неуправляемым.
Увеличение расхода электроэнергии. Недостаточное давление приводит к увеличению расхода электроэнергии электромобилей.
В работе проведен эксперимент, подтверждающий или опровергающий гипотезу, влиянии соотношения массы автомобиля к размеру его колеса на характеристики движения и, в конечном счете, на уровень его электропотребления
С кинетической энергией человек сталкивается на протяжении всей жизни, т. к. она связана механическим движением тел в пространстве [2]. Кинетическая энергия — это энергия движения (от др. греч. слова «кинема» — «движение»). Она зависит от скорости v и массы m движущегося тела [2]:
За счет совершения работы происходит изменение кинетической энергии, и при движении до полной остановки E k = A , где А — работа сил сопротивления F c .
Принимая силу
F
c
, действующую на автомобиль при отключении двигателя пропорциональной его массе
F
c
~
m
и обратно пропорциональной радиусу колеса
F
c
k=
Тогда получим, соответственно, что
F
c
Теоретическую часть необходимо проверить в результате исследования.
Были проведены испытания на двух электромобилях.
- Гольф-кар GEM 3. Размер шин — 155/R12.
- Гольф-кар ATTIVA 8L.6 Размер шин — 205/65 R10.
Для проведения испытаний был выбран свободный участок дороги с ровным покрытием, без подъемов и спусков. Давление в шинах измерялось стрелочным манометром. Откручивался колпачок, сбрасывались показания манометра, после чего он устанавливался на клапан. Измерение давление производилось каждом колесе. После этого колпачки на каждом ниппеле закручивались, чтобы давление не изменялось.
Исследование проводилось при различных значениях давления шин.
1. Гольф-кар GEM 3. Размер шин —155/R12.
Первое испытание проводилось при повышенном значении давления в шинах 3 бар. Автомобиль разогнан до 20 км/ч и после отпускания педали газа автомобиль начал катиться сам, после чего остановился. В этом месте поставлен конус, чтобы зафиксировать место остановки автомобиля. Пройденное расстояние оказалось равным 30,1 метра. Это было принято за точку отсчета.
Второе испытание — при повышенном значении давления 2,5 бар. Проведена такая же процедура, как и в первом испытании. В результате получилось, что расстояние, пройденное автомобилем, снизилось на 1,9 метра.
Третье испытание — при рекомендуемом заводом-изготовителем значении давления равном 2,2 бар. Расстояние снизилось на 3,1 метра.
Четвертое испытание –давление понижено до 2 бар. В расстояние снизилось на 4,1 метра.
Пятое испытание –давление 1,8 бар. Уменьшение пройденного расстояния — 4,5 метра.
Шестое испытание– давление 1,5 бар. Уменьшение пройденного расстояния — 6,9 метра.
Седьмое испытание –давление 1 бар. Уменьшение пути — 8,8 метра.
Вывод: при снижении давления в шинах на электромобиле Гольф-кар GEM 3 уменьшается длина пути, пройденная без участия электродвигателя. При повышенном давлении в шинах от рекомендуемого заводом-изготовителем, расстояние составило максимальное значение — 30,1 метра. А при максимально низком 1,0 бар расстояние составило 21,3 метра, что на 8,8 метров снизило пройденный путь.
2. Электромобиль Гольф-кар ATTIVA 8L.6
Испытания проводились по той же схеме, как и предыдущем варианте. Значения измерений запишем в сводную таблицу 1.
Вывод по результатам испытаний: при снижении давления в шинах на электромобиле Гольф-кар ATTIVA 8L.6, уменьшается длина пути, пройденная без участия электродвигателя. При повышенном давлении в шинах от рекомендуемого заводом-изготовителем, расстояние составило максимальное — 28,9 метра. А при максимально низком 1,0 бар расстояние составило 17,9 метра, что на 11 метров снизило пройденный путь.
Таблица 1
Сводные результаты измерений
|
Давление, бар |
Пройденный путь, м |
|
|
Гольф-кар GEM 3 |
Гольф-кар ATTIVA 8L.6 |
|
|
3 |
30,1 |
28,9 |
|
2,5 |
28,2 |
27,1 |
|
2,2 |
27 |
25,8 |
|
2 |
26,0 |
24,9 |
|
1,8 |
25,6 |
23,3 |
|
1,5 |
23,2 |
20,7 |
|
1,0 |
21,3 |
17,9 |
По результатам построили график результатов измерений.
Рис. 1. График зависимости пути от давления (по горизонтальной оси –давление (бар), по вертикальной — пройденный путь)
График позволяет сравнить два автомобиля по совершаемой работе A для преодоления расстояния S за счет запаса кинетической энергии. Полагаем, что работа пропорциональна пройденному пути A~S .
Проведем расчеты массогабаритного коэффициента по формуле (2) для двух автомобилей и сравним их соотношение с соотношением соответствующих работ (путей).
Пусть k 1 –это коэффициент для Гольф-кара GEM 3, k 2 — для Гольф-кара ATTIVA 8L.6.
Электромобиль Гольф-кар GEM 3: m=591 кг, радиус колеса R=155 мм. С учетом массы пассажира-испытателя (≈50 кг): k
1
=
Электромобиль Гольф-кар ATTIVA 8L.6: m=1050 кг, радиус колеса R=205 мм. Тогда k
2
=
Отношение коэффициентов составит —
Сравним для соотношение путей при некотором одинаковом давлении в шинах:
Сравнивая соотношения проходимых расстояний и соответствующих массогабаритных коэффициентов, видим, что они близки друг к другу. Значит выдвинутая гипотеза верна и такой массогабаритный коэффициент можно использовать для оценки уровня энергопотребления электромобилей.
Наглядно видно, что с ростом давления повышается проходимый путь, из чего можно сделать вывод об уменьшении расхода электроэнергии электромобилей.
Т. к. видим, что с уменьшением введенного нами массогабаритного коэффициента k=
Заключение
- Экспериментально обосновано, что повышение давления в шинах положительно сказывается на расход электроэнергии электромобилями.
- Показано, что наиболее выгодным с точки зрения энергопотреблении является электромобиль с большим соотношением его массы к радиусу колеса (при прочих равных условиях).
Литература:
- Гудков В. А. Обоснование необходимости постоянного контроля давления в шинах автомобиля / В. А. Гудков, И. М. Рябов, А. В. Сычев // Шина плюс: всеукраинский журнал. — 2007. — № 2. — С. 2–4.
- Чакак А. А. Физика. Вып. 3. Работа. Мощность. Энергия. Законы сохранения механической энергии и импульса: уч. пос. для учащихся Университетской физ. школы, занимающихся по дистанционной форме обучения. Оренбургский государственный университет — Оренбург: ОГУ, 2012. — 120 с.
