Автомобильная шина представляет собой упругую оболочку, расположенную на ободе колеса. Шина предназначена для поглощения незначительных колебаний, вызываемых несовершенством дорожного покрытия, реализации и восприятия сил, возникающих в пятне контакта с дорогой и обеспечения высокого коэффициента сцепления.
По назначению автомобильные шины делятся на шины для легковых и грузовых автомобилей. И для тех, и для других автомобилей используют шины диагональной и радиальной конструкции, с камерами и без камер, одно- и многослойные по числу слоев корда и т.д.
Межгосударственным стандартом ГОСТом 4754-97 «Шины пневматические для легковых автомобилей, прицепов к ним, легких грузовых автомобилей и автобусов особо малой вместимости. Технические условия», введенным 01.01.1999 г., установлены классификация шин, технические требования, методы испытаний, требования к их эксплуатации и др. Стандарт распространяется на шины для легковых автомобилей, прицепов к ним, легких грузовых автомобилей (полной массой не более 3,5 т) и автобусов особо малой вместимости (число посадочных мест до 12), предназначенные для эксплуатации на дорогах различных категорий во всех климатических зонах при температуре от минус 45 до плюс 55 °С (зимние шины до минус 10 °С).
Производители шин непрерывно ведут работу над усовершенствованием их конструкции, которое направлено на увеличение срока службы шин, допускаемых нагрузок, упрощение технологии их производства, повышение безопасности движения автомобилей, улучшение их устойчивости и управляемости.
Рассмотрим взаимодействие шины с дорогой. При движении автомобиля шина работает в очень сложных и тяжелых условиях. В процессе качения на шину действуют различные по значению и направлению силы. К внутреннему давлению воздуха и действию массы автомобиля на шину в неподвижном состоянии при качении колеса добавляются динамические силы, а также силы, связанные с перераспределением массы автомобиля между колесами. Силы меняют свои величины, а в ряде случаев и направление в зависимости от скорости движения, состояния дорожного покрытия, температуры окружающего среды, уклонов, характера поворотов дороги и т.п.
Существует два основных фактора, которые значительно и часто влияют на давление в шинах. Это - температура окружающей среды и нагрузки. От давления в шинах зависят такие характеристики покрышек, как длина тормозного пути, сопротивление качению, боковой увод и многие другие. Если изменить какой-нибудь показатель, то изменятся и другие характеристики машины, указанные в руководстве по эксплуатации. На некоторых автомобильных шинах указывается рекомендуемое давление только для того, чтобы водитель видел, что при таком-то давлении они сохраняют свою работоспособность, т.е. не разрушаются. Давление воздуха в шине является одним из наиболее существенных факторов, влияющих на коэффициент сопротивления уводу. Важным является тот факт, что давление воздуха в известных пределах может легко изменяться в различных условиях эксплуатации, в результате чего можно желательным образом воздействовать на сопротивляемость шин уводу при эксплуатации автомобиля.
Исследованиями в МГТУ «МАМИ», ведущих специализированных институтов за рубежом установлено, что в большинстве случаев с увеличением давления воздуха в шине ее коэффициент сопротивления уводу сначала нарастает и достигает максимального значения, а затем уменьшается.
На давление в автомобильных шинах оказывает влияние внешняя нагрузка. К перегрузкам шин чаще всего приводит загрузка автомобиля массой, превышающей его грузоподъемность, а также неравномерное распределение груза в кузове автомобиля. От оптимальной внешней нагрузки зависят нормальный прогиб, площадь контакта шины, значение и характер распределения напряжений в зоне контакта, интенсивность износа протектора. Перегрузка шин вызывает дополнительный расход топлива, потери мощности двигателя автомобиля на преодоление сопротивления качению колес. К признакам перегрузки шин можно отнести следующие явления: резкие колебания кузова при движении автомобиля, увеличенную деформацию боковых стенок покрышек, несколько затрудненное управление автомобилем.
При частичной и полной загрузке автомобиля давление в шинах будет различаться. Повышение нагрузки на колесо при постоянном давлении воздуха в шине увеличивает силу сопротивления качению. Однако при изменении нагрузки с 80 до 110 % от номинальной коэффициент сопротивления качению практически остается постоянным. Рост нагрузки на 20 % сверх максимально допустимой повышает коэффициент сопротивления качению примерно на 4 %. Зачастую в руководствах по использованию автомобилей оптимальное рабочее давление в шинах указывается при неполной загрузке автомобиля (один - три человека) и редко при полной (более трех человек). Под действием сил при качении колеса шина в различных зонах непрерывно деформируется, т.е. отдельные ее части изгибаются, сжимаются, растягиваются. При продолжительном движении шина нагревается, в результате чего повышается внутреннее давление воздуха в шине и снижается прочность ее составляющих, особенно резиновых. Ошибочным является распространенное мнение водителей о том, что для уменьшения влияния перегрузки шин следует их подкачать. В действительности, повышение норм внутреннего давления воздуха в сочетании с перегрузкой сокращает срок службы шин. При перегрузках автомобиля шины деформируются на большее значение, и при этом равнодействующая всех сил, приложенных к сечению бортового кольца со стороны шины, перемещается ближе к его наружной кромке. Это способствует увеличению деформации бортового кольца и его выворачиванию, что может привести к самопроизвольному размонтированию колеса во время движения.
Значительное влияние на давление воздуха в шине оказывают погодные условия. При резкой смене погоды меняется и давление воздуха в шинах. К примеру, если за окном была температура +5 °С, а давление воздуха в шине (175/70R13) было доведено до нормы (к примеру, 2,0 атм.), а затем температура повысилась до +25 °С, то давление в шинах может вырасти до 2,8 атм. При полной загрузке автомобиля эта же цифра может подскочить и до 3,3-3,6 атм. А если учесть и такие моменты солнечного дня, как температуру раскаленного в течение дня на солнце асфальта и увеличение температуры колес вследствие сил трения, то давление в шинах может легко превысить максимально допустимые значения.
Увеличение давления воздуха в шине приводит к снижению потерь на качение шины по твердому покрытию во всем диапазоне изменения скорости, уменьшению радиальной деформации и повышению ее жесткости, что уменьшает тепловые потери.
Рассмотрим давление в шине и управляемость на мокром покрытии.
У недостаточно накачанной шины плечевая зона изнашивается быстрее, чем середина протектора (рисунок)[1].
В накачанной по инструкции шине давление воздуха способствует равномерному распределению нагрузки в пятне контакта, что обеспечивает стабильность структуры покрышки. Известно, что это сказывается на характере ее износа, сопротивлении качению и долговечности. Снижение давления оказывает заметное влияние на сопротивляемость шины аквапланированию и сцеплению на мокрой дороге. Способность шины сопротивляться аквапланированию будет зависеть от скорости и массы автомобиля, от рисунка и глубины протектора, от равномерности распределения нагрузки в пятне контакта. Одним из способов, которым производители определяют устойчивость их продукции к аквапланированию и эффективности сцепления на влажной поверхности, является проезд через стеклянную ёмкость с тарированным уровнем воды. Производители шин разрабатывают модели с великолепным сопротивлением аквапланированию и превосходными показателями сцепления на мокрой дороге. Многочисленные исследования показывают, что это справедливо при рекомендуемом давлении в шинах.
Изнашиваемость шин при различном давлении
У хорошо накачанной шины давление соответствует инструкции и составляет 2,4 атм. и не позволяет средней части протектора проваливаться внутрь.
При небольшом снижении давления средняя часть протектора не получает достаточного подпора и прогибается внутрь.
Если колесо движется со скоростью 96 км/ч (60 mph), а давление в шине всего 1,7 атм., то при прохождении шины через ёмкость вода приподнимает среднюю часть протектора. В этом случае пятно контакта почти отсутствует, работают только плечевые зоны.
Недостаточно накачанная шина создает неравномерное распределение давления на поверхность дороги, в связи с этим ухудшаются сцепные свойства, происходит преждевременный износ шины.
Проведенные исследования, а также данные зарубежных источников информации по эксплуатации шин с пониженным давлением, позволяют сделать следующие выводы.
1. Недостаточное давление в шине приводит к увеличению амплитуды деформаций, повышенному нагреву и, таким образом, потере энергии, которая проявляется в повышении сопротивления качению и увеличении расхода топлива.
2. При давлении на 20 % ниже нормы наблюдается снижение срока службы шины в среднем на 30 %
3. При недостаточном давлении в шине она не только быстро изнашивается, но и попросту опасна: при движении больше нагревается, разрушается ее каркас. Такая шина может лопнуть или разбортироваться на повороте или при наезде на препятствие.
В связи с вышеизложенным можно сделать следующий вывод. На шину в процессе качения действуют различные по значению и направлению силы, в свою очередь, во многом зависящие от внешней нагрузки и температуры окружающей среды.
Это диктует необходимость разработки системы, которая позволит поддерживать оптимальное давление воздуха в шинах, опираясь на информацию, полученную с датчиков, анализирующих изменение вышеприведенных факторов окружающей среды. Кроме того, считаем целесообразным исследование влияние других факторов окружающей среды - давления окружающей среды и влажности атмосферного воздуха - на давление внутри автомобильной шины, так как Россия располагается в пределах четырех природно-климатических поясов, характеризующихся ярко выраженными климатическими особенностями.
Список литературы
- Работа автомобильной шины / под ред. В.И. Кнороза. - М.: Транспорт, 1976. - 238 с.
- Тарковский В.Н., Гудков В.А., Третьяков О.Б. Автомобильные шины. - М.: Транспорт, 1990. - 217с.
- Ходес И.В. Методология прогнозирования управляемости колесной машины: автореф. дис. ... д-ра. техн. наук. - Волгоград, 2007. - 33 с.
- ГОСТ 4754-97. Шины пневматические для легковых автомобилей, прицепов к ним, легких грузовых автомобилей и автобусов особо малой вместимости. Технические условия. - http://protect.gost.ru (дата обращения: 10.06.2010).
Рецензент -
Ткаченко В.П., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Ландшафтное строительство» ГОУ ВПО СГУТ и КД, г. Сочи.
Работа поступила в редакцию 09.03.2011.
[1] Источник заимствования - ресурсы мировой Сети.
Библиографическая ссылка
Колбасов А.Ф. НЕКОТОРЫЕ АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ РАБОТЫ АВТОМОБИЛЬНОЙ ШИНЫ // Фундаментальные исследования. – 2011. – № 8-1. – С. 128-130;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=26799 (дата обращения: 18.04.2024).