TOM 4 marzec-czerwiec 2000 r. S to A to tn e n y nr 2-3
S tan isław T ary m a* , P io tr M ioduszew ski*, G rzeg o rz R onow ski*
Opór toczenia współczesnych opon samochodowych
W artykule przedstawiono uśrednione wartości współczynnika oporu toczenia nowoczesnych opon do samochodów osobowych. Wyodrębniono różne typy i kategorie prędkości opon. Pokazano statystycznie przeanalizowane wyniki pomiarów oporu toczenia opon, uzyskane w badaniach laboratoryjnych przeprowadzonych na dwóch nawierzchniach drogowych (gładkiej i szorstkiej).
Słowa kluczowe: opony, opór toczenia
Rolling resistance of modern car tires
The paper presents averaged coefficients o f rolling resistance obtained fo r modern passenger car tires. The tires were grouped according to their application (winter or summer) and speed indices. Statistical analyses of rolling resistance as measured in the laboratory on two different road surfaces (smooth and rough) are presented.
Key words: tires, rolling resistance
1. Wstęp
W sp ółczesne opony sam och o d o w e znaczn ie odbiegają sw ą k o n stru k c ją i rod zajem z asto so w a
nych m ateriałów od opon uży tk ow an y ch w latach sied em dziesiątych i osiem d ziesiątych . Z m ieniły się przez to ich w łaściw o ści, w tym także c h a ra k te ry styki oporu toczenia. N iem al w każdym zadaniu dotyczącym m o d elow an ia ruchu po jazd u i badań sym ulacyjnych w ystęp u je opór to czenia i k o n iec z na je st znajom ość je g o w artości. Pom im o, że b ad a
nia oporu to czenia są p o w szech n ie p row adzone za
rów no przez produ centów opon, ja k i p roducentów sam ochodów , m ało je s t ogólnie dostępnych p u b li
kacji zaw ierający ch w yniki tak ich badań. B rak d a
nych dotyczący ch średnich w artości w sp ó łczy n n i
ków oporu to czen ia w sp ó łczesn y ch opon sam och o
dow ych u n iem ożliw ia przep ro w ad zen ie dokładnej an alizy op o ró w ru ch u p o jazd ów . D la te g o też w K atedrze P ojazdów i M aszyn R oboczych P o lite ch niki G dańskiej przy w spó łu d ziale S zw edzkiego N a
rodow ego Instytutu B adaw czego D róg i R uchu D ro-
* Politechnika Gdańska, Wydział Mechaniczny, Katedra Pojazdów i Ma
szyn Roboczych
gow ego zebrano k ilk a d z ie sią t różnych w sp ó łc ze snych opon do sam ochodów osobow ych i podjęto trud w ykonania badań ich oporu toczenia.
2. Selekcja opon
Przy wyborze opon do planow anego ekspery
mentu kierowano się głównie zasadą zapewnienia tego sam ego lub bardzo zbliżonego rozm iaru badanych opon (aby uniezależnić się od wpływu wymiarów opo
ny na jej opór toczenia) pochodzących od różnych pro
ducentów i o różnych typach bieżników. W teście wykorzystano opony 21 producentów, których wym ie
niono w poniższej tabeli.
Tabela 1. Producenci badanych opon samochodowych
AGI Gislaved Nokian
Avon GoodYear Pirelli
Bridgestone Kelly Sem perit
Contintental Kumho S tom il Olsztyn
Dunlop MacRipper Uniroyal
Fighter M atador Vredestein
Firestone M ichelin Yokohama
nr 2-3 marzec-czerwiec 2000 r. TOM 4
Z dostępnych na rynku europejskim produktów firm oponiarskich w ybrano 83 różne opony. Sklasyfi
kowano je według ich przeznaczenia, a w przypadku opon drogowych wyróżniono kategorie prędkości. Aby próba była reprezentatyw na, w każdej grupie zapew niono przynajmniej 12 szt. różnych opon. W wyniku pow yższych założeń pow stało pięć następujących grup:
□ opony drogowe z kategoriami prędkości do 190 km/h (symbol prędkości do T),
□ opony drogowe z kategorią prędkości do 210 km/h (symbol prędkości H),
□ opony drogowe z kategorią prędkości do 240 km/h (symbol prędkości V),
□ opony zim owe,
□ opony blotno-śniegow e.
Zestaw ienie ilości opon w poszczególnych gru
pach przedstaw ia rys. 1.
O p o n y k a t e g . T ( d o 1 9 0 k m / h )
O p o n y k a t e g . H ( d o 2 1 0 k m / h )
O p o n y k a t e g . V ( d o 2 4 0 k m / h )
O p o n y z i m o w e
O p o n y b ł o t n o - ś n i e g o w e
0 5 10 15 20 25
Ilość opon w gru p ie [szt.]
Rys. 1. Klasyfikacja wybranych opon samochodowych Jako podstaw ow y wybrano rozm iar opon: 185/
65R15. Ze w zględu na niem ożliw ość zapew nienia wystarczającej liczby opon w niektórych grupach uzu
pełniono je oponami o zbliżonych rozm iarach (rys. 2).
2 0 5 / 5 5 R 1 5
1 9 5 / 7 0 R 1 5
1 9 5 / 6 5 R 1 5
1 9 5 / 6 0 R 1 5
1 9 5 / 5 5 R 1 5
1 9 5 / 5 0 R 1 5
1 8 5 R 1 4
1 8 5 / 6 5 R 1 5
1 7 5 / 7 0 R 1 4
0 10 20 30 40 50
Ilo ść o p o n p o s z c z e g ó ln y c h ro z m ia ró w [szt.]
Rys. 2. Rozmiary badanych opon samochodowych
3. Badania oporu toczenia
Warunki badań
Pom iary oporu toczenia prow adzono m etodą m om entow ą na stanow isku bębnow ym [5] w labora
torium Katedry Pojazdów i M aszyn Roboczych Poli
techniki G dańskiej [3]. B adania w ykonyw ano na dwóch naw ierzchniach testowych (gładkiej1 i szorst
kiej2) przy trzech prędkościach toczenia: 80, 100 i 120 km/h. Ciśnienie oraz obciążenie podczas pom ia
rów odpow iadało typow ym warunkom eksploatacji opon w sam ochodzie osobowym .
Wyniki badań
W yniki przeprow adzonych pom iarów oporu to
czenia opon poddano analizie statystycznej.
Średnią wartość w spółczynnika oporu toczenia dla każdej grupy obliczono jako średnią arytm etyczną w spółczynników w szystkich opon należących do tej grupy dla trzech prędkości. Tak obliczone wartości dla poszczególnych grup opon przedstaw iono: dla na
wierzchni gładkiej na rys. 3, natom iast dla nawierzch
ni szorstkiej - na rys. 4.
Analizując powyższe wykresy m ożna zauważyć, iż niezależnie od nawierzchni, najniższym współczyn
nikiem oporu toczenia charakteryzują się opony zim o
we, najw yższym i zaś - opony drogowe kategorii pręd
kości H oraz V. W artości w spółczynników oporu to
czenia opon z pozostałych grup przyjm ują wartości pośrednie. M ożna stwierdzić, że charakter zm ienno
ści wartości średniego współczynnika oporu toczenia w funkcji prędkości w poszczególnych grupach opon jest jednakow y dla obu nawierzchni. Dla opon drogo
wych kategorii H i V są to funkcje malejące, nato
miast dla pozostałych grup rosnące. Kolejność usytu
owania krzyw ych na obu wykresach jest podobna. Je
dyna różnica polega na tym, że opony błotno-śniego- we na nawierzchni gładkiej posiadają większe średnie wartości współczynnika oporu toczenia niż opony dro
gowe kategorii prędkości do T. Na nawierzchni szorst
kiej jest odwrotnie.
W tabeli 2 oraz na rys. 5 przedstaw iono uśred
nione dla trzech prędkości wartości w spółczynnika oporu toczenia w poszczególnych grupach dla obu naw ierzchni. Zaobserw ow ać m ożna istotną różnicę 1 Safety Walk 80 - standardowa nawierzchnia stosowana do badania oporu toczenia o charakterze zbliżonym do papieru ściernego o ziarnistości 80 2 APS-4 - imitacja szorstkiego asfaltu odp. powierzchniowemu utrwale
niu 12/16
TOM 4 marzec-czerwiec 2000 r. S fadtM t& K f' nr 2-3
Rys. 3. Zależność średnich wartości współczynnika oporu toczenia opon w poszczególnych gru
pach od prędkości dla nawierzchni gładkiej
Rys. A .Z ależn ość średnich wartości współczynnika oporu toczenia opon w poszczególnych gru
pach od prędkości dla nawierzchni szorstkiej
£taAto*H&icf, nr 2-3 marzec-czerwiec 2000 r. TOM 4
zakresu wartości w spółczynnika oporu toczenia po
szczególnych grup opon w zależności od naw ierzch
ni, po której były toczone. Średnia różnica wartości w spółczynnika dla obu nawierzchni wynosi 0,0047, przy czym w artości m niejsze zanotow ano dla n a
wierzchni gładkiej. Ranking grup opon na obu na
w ierzchniach jest podobny.
Tabela 2. Średnie wartości współczynnika oporu to
czenia opon w poszczególnych grupach dla na
wierzchni gładkiej i szorstkiej oraz uśrednione dla obu nawierzchni
Nawierzchnia Gładka Szorstka
Wartości uśrednione Opony kategorii
prędkości do T
(do 190 km/h) 0,0107 0,0155 0,0131 Opony kategorii H
(do 210 km/h) 0,0112 0,0161 0,0137 Opony kategorii V
(do 240 km/h) 0,0111 0,0161 0,0136
Opony zimowe 0,0102 0,0147 0,0125
Opony błotno-
śniegowe 0,0109 0,0153 0,0131
N a rys. 6 zestaw iono zakresy zm ienności warto
ści w spółczynnika oporu toczenia opon, w poszcze
gólnych grupach, toczonych z prędkością v = 80 km/h po nawierzchni gładkiej. Dla opon kategorii do T, ka
te g o rii H oraz opon zim o w y c h ro z rz u t w arto ści w spółczynnika wynosi 0,0030. Natom iast dla dwóch pozostałych grup opon zakres zmienności zawiera się w granicach 0,0050. W czterech grupach opon dolne wartości w spółczynnika oporu toczenia leżą poniżej 0,01, przy czym najm niejszą wartość (0,0086) odno
towano w grupie opon zimowych.
Natom iast dla trzech grup opon kategorii H, ka
tegorii V i błotno-śniegow ych m aksym alne wartości współczynnika oporu toczenia przekraczają wartość 0,0130. M aksym alną w artość 0,0138 odnotow ano w grupie opon kategorii V.
N a rys. 7 p rzed staw io n o zakresy zm ienności śred n ich w arto ści w sp ó łc zy n n ik a oporu to czen ia opon to czo ny ch z p ręd k o ścią v = 80 km /h po n a
w ierzchni szorstkiej. W grupie opon kategorii p ręd
kości V ro zrzu t w artości w spółczyn nik a oporu to czen ia je s t najw iększy i w ynosi 0,0061. W p o zo stałych g ru p ach opon nie p rze k ra cz a on 0,0050.
M inim alną w artość w sp ółczy nn ika - 0,0126 - od
notow ano w grupie opon klasy V. N atom iast w ar
tość m ak sy m a ln a w sp ó łc zy n n ik a oporu to cz e n ia w y n o sząca 0,0191 w y stę p u je dla opony z grupy opon k ategorii H.
Rys. 5. Średnie wartości współczynnika oporu toczenia opon w poszczególnych grupach dla
TOM 4 marzec-czerwiec 2000 r. S C a & tw ten y nr 2-3
Rys. 6. Zakres zmienności wartości współczynnika oporu toczenia w poszczególnych grupach opon dla prędkości v = 80 km/h na nawierzchni gładkiej
Rys. 7. Zakres zmienności wartości współczynnika oporu toczenia w poszczególnych grupach opon dla prędkości v = 80 km/h na nawierzchni szorstkiej
S ta & tw i& u t nr 2-3 marzec-czerwiec 2000 r. TOM 4
4. Podsumowanie
Z d a n ie m a u to ró w , b a d a n e o p o n y (83 sz t.) m ożna uznać za reprezen tatyw n e dla populacji opon d o stęp n y ch w sp ó łc z e śn ie na ryn ku eu ro p ejsk im . W śród w ybrany ch opon zapew niono n iep o w tarzal
ność rzeźby b ież n ik a w każdej z grup. Ilość opon w p o szczeg ó lnych g ru p ach w y n o siła od 12 do 24 szt.
W rankingu grup zdecydow anie najlepiej (naj
niższy w sp ółczy nn ik oporu toczenia) w ypadły opo
ny zim ow e, najgorzej zaś opony p rzeznaczone do jazd y z dużym i p ręd k o ściam i - k atego rii H i V.
Tak niskie opory toczenia opon zim ow ych uzy
skano w sk utek u e la sty cz n ien ia klocków b ieżn ika spo w o d o w an eg o w y stę p o w a n ie m w ielu lam elek.
R ów nież sto so w an ie m ięk k ich m ieszan ek gu m o w ych b ież n ik a (tw ard o ść w g ran icach 50-55°Sh) przyczy niło się do ob n iżen ia w artości oporu to cz e nia tych opon.
O pony kateg o rii H i V, cechujące się dość du
żym i w artościam i w sp ó łczy n n ik a oporu toczenia, są p ro je k to w a n e g łó w n ie pod k ątem zach ow ania m aksym alnego b ezp ieczeń stw a pojazdu, a więc kie
row alności i stateczn ości przy dużych prędkościach jazdy. W ym usza to sto so w an ie rzeźby b ieżnik a o m ałych k ątach zn o szen ia i odpornej na aquaplaning (w iększe, szty w n iejsze k lo cki oraz ukośne szersze row ki o d p ro w ad zające w odę). R ów nież tw ardość m ieszanki gum ow ej je s t w ięk sza w porów naniu do pozo stałych opon. B ieżnik takiej opony je s t sztyw niejszy, m niej p odatny na p rzeg in an ie, co p o w od u
je w iększe opory toczenia.
Z asad niczy w pływ na opór to czen ia p osiada naw ierzchnia, po której toczy się opona. U szere
g o w a n ie g ru p o p o n w g o p o ru to c z e n ia na n a w ierzchni gładkiej i szorstkiej jest, poza jednym nie
w ie lk im w y ją tk ie m , ta k ie sam o , ch o ć w a rto śc i w sp ó łczy nnika oporu to cz e n ia są dla naw ierzchni szorstkiej zn acznie w iększe.
W zależności od przeznaczenia, opony cechują się oporem to cz e n ia ro snący m w funkcji p rędkości (opony drogow e k ateg o rii p rędkości do T, zim ow e i b ło tn o -śnieg o w e) lub też m alejącym (opony k a te gorii p ręd ko ści H i V). N ależy zaznaczyć, że uw a
ga ta je s t w ażna dla zak resu pręd k o ści p o m ia ro w ych, w k tóry ch p rzep ro w ad zo n o badania.
N ow o czesn a k o n stru k c ja opon oraz za sto so w a n e do ic h p r o d u k c ji n o w o c z e s n e m a te ria ły (szczegó ln ie m ieszan ki b ieżnika) um ożliw iają re dukcję oporów ruchu pojazdu. W spółczy nnik o po
ru to czen ia n iek tó ry ch w sp ółczesn ych opon osiąga ju ż w artości poniżej 0,0100 przynajm niej dla za
kresu pręd k ości 80-120 km /h (n ajniższa zan o to w a
na w artość w y n o siła 0,0084).
5. Literatura
7. Jurkowski B., Lewandowski J.: “Opór toczenia opon samochodowych”, Technika Motoryzacyj
na 6/80
2. Ejsmont J.A., Woźniak R., Taryma S., Mioduszew
ski R, Wilga M.: „ Wpływ rzeźby bieżnika na opór toczenia opon samochodowych”. V Międzyna
rodowa Konferencja Naukowo-Techniczna: Po
jazdy samochodowe. Problemy rozwoju i eksplo
atacji. AU TO PRO G RES’95, Jachranka kolo Warszawy, 17-19.05.1995, s. 8, rys. 9
3. Browne A.L., Whicker D., Segalman D.J.: “A ge
neral model fo r power loss in pneumatic tire”, AMD - Vol. 40, The American Society o f Me
chanical Engineers, Chicago, Illinois, 16-21 November 1980
4. Bosik A.J., Dunn T.R., Critch C.J.: “Compari
son o f laboratory and on-long road truck tire rolling resistance fo r various tire tread depths”, SAE Technical Paper Series 880584, 1988 5. Woźniak R., Taryma S., Ejsmont J.A.: „Pomiar
oporu toczenia opon samochodowych metodą m om entow ą” . Zeszyty Naukowe Politechniki Gdańskiej Nr 541, Mechanika LXXV, Gdańsk 1996, s. 55-63, rys. 5
6. Woźniak R., Taryma S., Ejsmont J.A., Wilga M.:
„Metody pomiaru oporu toczenia opon samocho
dowych”. Sympozjum: Metody badań i kontroli opon samochodowych. Straszęcin k. Dębicy 1993, s. 10, rys. 3
7. Woźniak R., Taryma S., Ejsmont J.A., Wilga M.:
„Laboratoryjne pomiary oporu toczenia opon samochodowych na nawierzchni szorstkiej i gładkiej”. Auto-Technika Motoryzacyjna. Moto
ryzacyjny Kwartalnik Naukowo-Techniczny, 1-94, s. 3, rys. 8, tabi. 1.
