แรงต้านการหมุนของล้อ

Posted on : 21-05-2013 | By : Author | In : การทำงานของเครื่องยนต์

แรงต้านการหมุนของล้อขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่าง ได้แก่ สภาพของผิวถนน ความเสียดทานในแบริ่งของล้อรถยนต์ การยุบตัวของยางและผิวถนน ความดันลมในยางรถยนต์ การเสียดสีที่เบรก และขนาดของล้อ ภายใต้เงื่อนไขที่คงที่ แรงต้านการหมุนของล้อแปรผันโดยตรงกับนํ้าหนักของรถยนต์ ถ้าสามารถลดน้ำหนักรถยนต์ลงได้มากก็จะยิ่งประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิงได้มาก ทั้งในการวิ่งด้วยอัตราเร็วคงที่และในการเร่งรถยนต์
การลดน้ำหนักของรถยนต์จะนำไปสู่การลดขนาดของเครื่องยนต์ ห้องเกียร์ ระบบกันสะเทือน และชิ้นส่วนอื่นๆ แต่อย่างไรก็ตามสัดส่วนการเปลี่ยนแปลงของน้ำหนักรถยนต์ระหว่างรถเปล่ากับรถที่มีภาระบรรทุกเต็มนั้นต่างกันมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับรถยนต์ขนาดเล็ก
เทคโนโลยีสมัยใหม่ช่วยให้เราสามารถใช้วัสดุที่มีนํ้าหนักเบาได้ ประกอบกับการออกแบบ ในปัจจุบันได้ใช้เทคโนโลยีด้านแคด (computer-aided design, CAD) และแคม (computer-aided manufacturing, CAM) เข้าช่วยอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ด้านเอฟอีเอ็ม (finite element modelling, FEM) ของตัวรถยนต์และชิ้นส่วนต่างๆ ซึ่งนำไปสู่การลดนํ้าหนักรถยนต์ลงได้มาก
แรงต้านการหมุนของล้อเนื่องจากเบรกและแบริ่ง
ในกรณีของรถยนต์ที่ใช้ดรัมเบรก (drum brake) ก้ามปูเบรกจะขยับตัวเข้าออกได้ ก้ามปูเบรกจะกางออกในขณะใช้งานและจะกลับที่เดิมด้วยแรงดึงของสปริงเมื่อหยุดใช้งาน แต่ดิสก์เบรก (disc brake) นั้นไม่มีกลไกในการดึงแผ่นเบรกกลับคืน แผ่นเบรกจะยังคงเสียดสีกับจานเบรกเล็กน้อย หลังจากหยุดใช้งานแล้ว ได้มีผู้ทำการทดสอบหาค่าเฉลี่ยของทอร์กที่เกิดจากแรงฉุดของเบรก พบว่ามีค่าประมาณ 3 N-m รถยนต์ทั่วไปที่มีดิสก์เบรกที่ล้อหน้า ทอร์กเนื่องจากแรงฉุดของเบรกสามารถคำนวณเป็นแรงต้านการหมุนของล้อได้เท่ากับ 20 N หรือประมาณร้อยละ 10 ของแรงต้านการหมุนของล้อทั้งหมด
ตัวเลขจากการคำนวณนี้มาจากข้อมูลดังนี้
ล้อหน้าเป็นดิสก์เบรกทั้งสองข้าง
ทอร์กเนื่องจากแรงฉุดของเบรกข้างละ 3 N-m
ถ้ารัศมีเฉลี่ยของยางรถยนต์เท่ากับ 0.3 m
ดังนั้นแรงต้านเนื่องจากเบรก = T/r = 3/0.3 = 10 N
เนื่องจากเบรกมี 2 ข้าง ดังนั้น
แรงต้านเนื่องจากดิสก์เบรกที่ล้อหน้าทั้งสองข้าง = 2 X 10 = 20 N
ในกรณีที่ดิสก์เบรกได้รับการออกแบบใหม่โดยใช้กันรั่ว (seal) พิเศษซึ่งยืดหดตัวได้ดี ทำให้แผ่นเบรกหดตัวกลับได้ดีขึ้นหลังจากหยุดใช้งานแล้ว ทำให้ทอร์กเนื่องจากแรงฉุดลดลงเหลือเพียง 0.7 N-m
แบริ่งของล้อรถยนต์มักเป็นแบบลูกกลิ้งและมีค่าความฝืดต่ำ แต่มักจะมีกันรั่วป้องกันไม่ให้สารหล่อลื่นไหลออกมาและไม่ให้สิ่งสกปรกเข้าไปภายใน โดยทั่วไปกันรั่วจะมีปากซึ่งสัมผัสกับส่วนที่หมุนและการเสียดสีนี้ทำให้เกิดความเสียดทานขึ้นซึ่งสามารถคำนวณได้มากถึงร้อยละ 10 ของแรงต้านการหมึนของล้อทั้งหมด
แรงต้านการหมุนของล้อเนื่องจากยางรถยนต์และผิวถนน
การยุบตัวของยางและผิวถนนมีความสำคัญอย่างยิ่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของความดันลมในยางรถยนต์ตํ่ามาก ยางจะยุบตัวมาก ซึ่งจะมีผลทำให้แรงต้านการหมุนของล้อสูงมากขึ้น


รูปที่ 2.3 แรงต้านการหมุนของล้อที่เกิดจากการยุบตัวของยางซึ่งกลิ้งบนถนนแข็ง
ถ้า P เป็นแรงดันที่ทำให้ล้อรถยนต์สามารถกลิ้งไปได้บนถนนแข็ง ดังแสดงในรูปที่ 2.3 ส่วนของยางที่สัมผัสกับถนนจะยุบตัว หน้าสัมผัสระหว่างยางกับถนนจะเป็นพื้นที่กว้าง น้ำหนักของรถยนต์จะกระจายบนผิวหน้าสัมผัสระหว่างยางกับถนน
ในขณะที่ล้อกลิ้งไปบนถนนนั้น ยางจะยุบตัวและคืนตัวสลับกัน ทำให้เกิดความเสียดทานขึ้นในเนื้อยางและก่อให้เกิดความร้อนขึ้น การยุบตัวบริเวณส่วนหน้าของยางจะมากขึ้นในขณะที่การยุบตัวบริเวณส่วนหลังของยางจะลดลง ดังนั้นถ้าแบ่งส่วนของยางเท่าๆ กัน คือ ส่วนหน้าและส่วนหลังโดยเทียบกับแนวดิ่งของเส้นผ่านศูนย์กลางของล้อ จะมีแรงย่อยๆ กระทำไม่เท่ากันโดยแรงกระจายบริเวณส่วนหน้ามีค่ามากกว่าแรงกระจายบริเวณส่วนหลัง ดังแสดงในรูปที่ 2.3
ถ้าให้ N เป็นแรงลัพธ์ทั้งหมดของแรงย่อยในแนวตั้งฉากกับถนนและ W เป็นน้ำหนักที่กดลงบนล้อจากรูปที่ 2.3 เมื่อล้อกลิ้งด้วยความเร็วคงที่จะได้
Σ Fy         = 0    N         = W

Σ MA     =0 Pb – Na     = 0
∴ P    =Na/b     = Wa/b
เมื่อ P เป็นแรงที่กระทำให้ล้อกลิ้งไปบนถนนด้วยความเร็วคงที่ แรงต้านการหมุนของล้อจะมีค่าเท่ากับแรง P ในขณะนั้น
แรงต้านการหมุนของล้อจะมีค่ามากหรือน้อยนั้นขึ้นอยู่กับสัดส่วนระหว่าง a/b และเรียกสัดส่วนนี้ว่า สัมประสิทธิแรงต้านการหมุนของล้อ (coefficient of roiling resistance) ใช้สัญลักษณ์ Kr ดังนั้นถ้ายางรถยนต์แบนมาก ค่า a/b จะมีค่าสูงขึ้น แรงต้านการหมุนของล้อจะมีค่าสูงขึ้น ถ้าเส้นผ่านศูนยกลางของล้อมีขนาดใหญ่ขึ้น ค่า Kr จะลดลง แรงต้านการหมุนของล้อจึงหาได้จากความสัมพันธ์ต่อไปนี้
Rr = Kr W
เมื่อ Rr = แรงต้านการหมุนของล้อ หน่วยเป็น N
Kr = สัมประสิทธิแรงต้านการหมุนของล้อ
W = นํ้าหนักของรถยนต์ หน่วยเป็น N
ในบางกรณี ถ้าถนนมีลักษณะอ่อนตัว เช่น ถนนดินและถนนทราย ถนนจะมีการยุบตัว ทำให้แรงต้านการหมุนของล้อเพิ่มขึ้น
เมื่อนำค่า Rr และความเร็วของรถยนต์ (v) มาเขียนกราฟจะได้ตามรูปที่ 2.4


รูปที่ 2.4 ความสัมพันธืระหว่างแรงต้านการหมุนของล้อกับอัตราเร็วของรถยนต์
ในทางปฏิบัตินั้น ค่า Rr จะมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่ออัตราเร็วของรถยนต์เพิ่มขึ้น แต่อย่างไรก็ตาม ในที่นี้จะถือว่าค่า Rr มีค่าคงที่ โดยคำนวณได้จากสูตร Rr = KrW
สัมประสิทธิ์แรงต้านการหมุนของล้อบนสภาพถนนต่างๆ แสดงในตารางที่ 2.2
ตารางที่ 2.2 สัมประสิทธิ์แรงต้านการหมุนของล้อ (Kr) ตามชนิดและสภาพของถนน


เนื่องจากสภาพของผิวถนนมีส่วนสำคัญมากต่อค่าสัมประสิทธิ์แรงต้านการหมุนของล้อดังแสดงในตารางที่ 2.2 ถนนที่มีผิวหยาบจะทำให้แรงต้านการหมุนของล้อเพิ่มขึ้น ถนนคอนกรีต และถนนลาดยางที่มีผิวเรียบจะสามารถลดแรงต้านการหมุนของล้อลงได้ร้อยละ 10 ในขณะเดียวกันถนนลาดยางที่มีผิวหยาบก็จะทำให้แรงต้านการหมุนของล้อเพิ่มมากขึ้นถึงร้อยละ 10 หรือมากกว่านี้
อย่างไรก็ตามสัมประสิทธิ์แรงต้านการหมุนของล้อในรถยนต์แต่ละประเภทมีค่าไม่เท่ากัน ถึงแม้ว่าจะเป็นสภาพถนนเดียวกันก็ตาม ในตารางที่ 2.3 แสดงตัวอย่างของค่า Kr ของรถยนต์และถนนประเภทต่างๆ
ตารางที่ 2.3 ค่าเฉลี่ยเปรียบเทียบของสัมประสิทธิ์แรงต้านการหมุนของล้อตามประเภทของรถยนต์และถนน


จากตารางที่ 2.3 จะเห็นได้ว่าค่า Kr ของรถบรรทุกมีค่าน้อยกว่าค่า Kr ของรถเก๋ง กรณีนี้ไม่ได้หมายความว่าแรงต้านการหมุนของล้อของรถบรรทุกจะน้อยกว่าของรถเก๋ง ทั้งนี้เพราะว่านํ้าหนักของรถบรรทุกมากกว่าของรถเก๋งเนื่องจากแรงต้านการหมุนของล้อ, Rr = KrW
ถึงแม้ว่าค่า Kr ของรถบรรทุกจะมีค่าตํ่ากว่าค่า Kr ของรถเก๋ง แต่ผลคูณระหว่างค่า Kr และ W ของรถบรรทุกมีค่ามากกว่าของรถเก๋ง
ปัจจัยสำคัญที่ทำให้ค่า Kr ของรถบรรทุกลดลงคือรถบรรทุกมีล้อขนาดใหญ่กว่ารถเก๋ง

บทความอื่น ๆ ที่น่าสนใจ:

Share this :

  • Stumble upon
  • twitter

Comments are closed.


Warning: file_get_contents() [function.file-get-contents]: php_network_getaddresses: getaddrinfo failed: Name or service not known in /home/napin165/public_html/AUTO2DRIVE.COM/wp-content/plugins/most-shared-posts/msp-fetch.php on line 179

Warning: file_get_contents(http://urls.api.twitter.com/1/urls/count.json?url=http%3A%2F%2Fwww.auto2drive.com%2F%25e0%25b8%2581%25e0%25b8%25b2%25e0%25b8%25a3%25e0%25b8%2595%25e0%25b9%2588%25e0%25b8%25ad%25e0%25b8%258a%25e0%25b8%25b8%25e0%25b8%2594%25e0%25b9%2581%25e0%25b8%25a1%25e0%25b8%2599%25e0%25b8%25b4%25e0%25b9%2582%25e0%25b8%259f%25e0%25b8%25a5%25e0%25b8%2594%25e0%25b9%258c%25e0%25b9%2580%25e0%25b8%2581%25e0%25b8%2588%2F) [function.file-get-contents]: failed to open stream: php_network_getaddresses: getaddrinfo failed: Name or service not known in /home/napin165/public_html/AUTO2DRIVE.COM/wp-content/plugins/most-shared-posts/msp-fetch.php on line 179

Warning: file_get_contents() [function.file-get-contents]: php_network_getaddresses: getaddrinfo failed: Name or service not known in /home/napin165/public_html/AUTO2DRIVE.COM/wp-content/plugins/most-shared-posts/msp-fetch.php on line 179

Warning: file_get_contents(http://urls.api.twitter.com/1/urls/count.json?url=http%3A%2F%2Fwww.auto2drive.com%2F%25e0%25b8%25a3%25e0%25b8%25b0%25e0%25b8%259a%25e0%25b8%259a%25e0%25b8%2581%25e0%25b8%25b2%25e0%25b8%25a3%25e0%25b8%259b%25e0%25b8%25a3%25e0%25b8%25b1%25e0%25b8%259a%25e0%25b8%25ad%25e0%25b8%25b2%25e0%25b8%2581%25e0%25b8%25b2%25e0%25b8%25a8%25e0%25b8%25a3%25e0%25b8%2596%25e0%25b8%25a2%25e0%25b8%2599%25e0%25b8%2595%25e0%25b9%258c%2F) [function.file-get-contents]: failed to open stream: php_network_getaddresses: getaddrinfo failed: Name or service not known in /home/napin165/public_html/AUTO2DRIVE.COM/wp-content/plugins/most-shared-posts/msp-fetch.php on line 179

Warning: file_get_contents() [function.file-get-contents]: php_network_getaddresses: getaddrinfo failed: Name or service not known in /home/napin165/public_html/AUTO2DRIVE.COM/wp-content/plugins/most-shared-posts/msp-fetch.php on line 179

Warning: file_get_contents(http://urls.api.twitter.com/1/urls/count.json?url=http%3A%2F%2Fwww.auto2drive.com%2F%25e0%25b8%2584%25e0%25b8%25a5%25e0%25b8%25b1%25e0%25b8%258a%25e0%25b9%2581%25e0%25b8%25a1%25e0%25b9%2588%25e0%25b9%2580%25e0%25b8%25ab%25e0%25b8%25a5%25e0%25b9%2587%25e0%25b8%2581%25e0%25b9%2584%25e0%25b8%259f%25e0%25b8%259f%25e0%25b9%2589%25e0%25b8%25b2-magnetic-clutch%2F) [function.file-get-contents]: failed to open stream: php_network_getaddresses: getaddrinfo failed: Name or service not known in /home/napin165/public_html/AUTO2DRIVE.COM/wp-content/plugins/most-shared-posts/msp-fetch.php on line 179

Warning: file_get_contents() [function.file-get-contents]: php_network_getaddresses: getaddrinfo failed: Name or service not known in /home/napin165/public_html/AUTO2DRIVE.COM/wp-content/plugins/most-shared-posts/msp-fetch.php on line 179

Warning: file_get_contents(http://urls.api.twitter.com/1/urls/count.json?url=http%3A%2F%2Fwww.auto2drive.com%2Fautomobile-temperature-control%2F) [function.file-get-contents]: failed to open stream: php_network_getaddresses: getaddrinfo failed: Name or service not known in /home/napin165/public_html/AUTO2DRIVE.COM/wp-content/plugins/most-shared-posts/msp-fetch.php on line 179

Warning: file_get_contents() [function.file-get-contents]: php_network_getaddresses: getaddrinfo failed: Name or service not known in /home/napin165/public_html/AUTO2DRIVE.COM/wp-content/plugins/most-shared-posts/msp-fetch.php on line 179

Warning: file_get_contents(http://urls.api.twitter.com/1/urls/count.json?url=http%3A%2F%2Fwww.auto2drive.com%2F%25e0%25b9%2580%25e0%25b8%2597%25e0%25b8%25ad%25e0%25b8%25a3%25e0%25b9%258c%25e0%25b9%2582%25e0%25b8%25a1%25e0%25b8%25aa%25e0%25b9%2581%25e0%25b8%2595%25e0%25b8%2595%25e0%25b8%25b4%25e0%25b8%2584%2F) [function.file-get-contents]: failed to open stream: php_network_getaddresses: getaddrinfo failed: Name or service not known in /home/napin165/public_html/AUTO2DRIVE.COM/wp-content/plugins/most-shared-posts/msp-fetch.php on line 179

Warning: file_get_contents() [function.file-get-contents]: php_network_getaddresses: getaddrinfo failed: Name or service not known in /home/napin165/public_html/AUTO2DRIVE.COM/wp-content/plugins/most-shared-posts/msp-fetch.php on line 179

Warning: file_get_contents(http://urls.api.twitter.com/1/urls/count.json?url=http%3A%2F%2Fwww.auto2drive.com%2F%25e0%25b8%2584%25e0%25b8%25a7%25e0%25b8%259a%25e0%25b8%2584%25e0%25b8%25b8%25e0%25b8%25a1%25e0%25b8%25aa%25e0%25b8%25b2%25e0%25b8%25a3%25e0%25b8%2597%25e0%25b8%25b3%25e0%25b8%2584%25e0%25b8%25a7%25e0%25b8%25b2%25e0%25b8%25a1%25e0%25b9%2580%25e0%25b8%25a2%25e0%25b9%2587%25e0%25b8%2599%2F) [function.file-get-contents]: failed to open stream: php_network_getaddresses: getaddrinfo failed: Name or service not known in /home/napin165/public_html/AUTO2DRIVE.COM/wp-content/plugins/most-shared-posts/msp-fetch.php on line 179

Warning: file_get_contents() [function.file-get-contents]: php_network_getaddresses: getaddrinfo failed: Name or service not known in /home/napin165/public_html/AUTO2DRIVE.COM/wp-content/plugins/most-shared-posts/msp-fetch.php on line 179

Warning: file_get_contents(http://urls.api.twitter.com/1/urls/count.json?url=http%3A%2F%2Fwww.auto2drive.com%2F%25e0%25b8%25a3%25e0%25b8%25b5%25e0%25b8%258b%25e0%25b8%25b5%25e0%25b8%259f%25e0%25b9%2580%25e0%25b8%25a7%25e0%25b8%25ad%25e0%25b8%25a3%25e0%25b9%258c%2F) [function.file-get-contents]: failed to open stream: php_network_getaddresses: getaddrinfo failed: Name or service not known in /home/napin165/public_html/AUTO2DRIVE.COM/wp-content/plugins/most-shared-posts/msp-fetch.php on line 179

Warning: file_get_contents() [function.file-get-contents]: php_network_getaddresses: getaddrinfo failed: Name or service not known in /home/napin165/public_html/AUTO2DRIVE.COM/wp-content/plugins/most-shared-posts/msp-fetch.php on line 179

Warning: file_get_contents(http://urls.api.twitter.com/1/urls/count.json?url=http%3A%2F%2Fwww.auto2drive.com%2F%25e0%25b9%2580%25e0%25b8%2584%25e0%25b8%25a3%25e0%25b8%25b7%25e0%25b9%2588%25e0%25b8%25ad%25e0%25b8%2587%25e0%25b8%2595%25e0%25b8%25a3%25e0%25b8%25a7%25e0%25b8%2588%25e0%25b8%25aa%25e0%25b8%25ad%25e0%25b8%259a%25e0%25b8%25a3%25e0%25b8%25ad%25e0%25b8%25a2%25e0%25b8%25a3%25e0%25b8%25b1%25e0%25b9%2588%25e0%25b8%25a7%2F) [function.file-get-contents]: failed to open stream: php_network_getaddresses: getaddrinfo failed: Name or service not known in /home/napin165/public_html/AUTO2DRIVE.COM/wp-content/plugins/most-shared-posts/msp-fetch.php on line 179