Рабочие характеристики шин

На неподвижную шину действуют силы внутреннего давления и статической нагрузки на колесо, а при её качении добавляются динамические нагрузки и нагрузки от перераспределения массы автомобиля между его осями и колесами. Под их действием шина испытывает циклические деформации, величина и направление которых в разных её зонах различны. За время амортизационного пробега число циклов деформации шины достигает десятков миллионов, а температура эксплуатации вследствие теплообразования - 60-90^оС. Важной функцией шины является защита автомобиля от возмущений дороги, но на хорошей дороге выявляется ещё один источник возмущений – сама шина с колесом автомобиля, которые не являются идеально однородными конструкции-ями. Возмущающие силы являются периодическими с периодом, равным времени одного оборота колеса, а вклад шины в общую неоднородность колеса – основным, состоящим из геометрической неоднородности (биение), неоднородного распределения масс (дисбаланс) и неоднородности по жёсткости. Суммарная неоднородность колеса получила название силовой неоднородности и является причиной появления дополнительных сил при качении шины. К основным требованиям, предъявляемым к шинам, относятся:

· передача нагрузки автомобиля, а также приводных, тормозных и направляющих сил на поверхность дороги;

· образование поперечных сил для поворота и удерживания направления движения, точное и быстрое реагирование на управление;

· амортизация ударов, обеспечение достаточной эластичности и способности преодолевать препятствия, низкий уровень шума и комфортабельность езды;

· хорошее сцепление с поверхностью дороги и низкое сопротивление качению;

· долговечность, безопасность движения и минимальная масса.

Рабочие характеристики шин определяют их эксплуатационные свойства и включают грузоподъёмность, долговечность, сцепление с дорогой, сопротивление качению, амортизационная способность, комфортабельность, шум при движении, проходимость, надёжность, экономичность и др.

Грузоподъёмность является важнейшей рабочей характеристикой шины и выражается максимальной допустимой статической нагрузкой, при которой обеспечиваются заданные значения долговечности и других ее технических характеристик. От этого показателя зависят габариты и другие конструктивные параметры шин, внутреннее давление и число слоев корда в них. С нагрузкой на шину связана также ее радиальная деформация (прогиб), определяющая режим работы корда и резины. Зависимость между грузоподъёмностью Q и шириной профиля В выражается приближённым соотношением: Q=КВ², где К – коэффициент грузоподъемности, равный 1,4-1,8 для легковых и 2,3-3,3 для грузовых шин. Грузоподъёмность шин изменяется в зависимости от условий их эксплуатации. Так, при снижении скорости движения она может быть увеличена, а при работе с большими динамическими нагрузками, особенно в плохих дорожных условиях, должна быть уменьшена.

Долговечность шины характеризуют пробегом до износа выступов рисунка протектора. По условиям безопасности движения и для защиты каркаса от повреждений минимальная высота выступов рисунка грузовых и легковых изношенных шин должна быть соответственно 0,5 и 1,0-1,5 мм. Долговечность выражают пробегом L в км в зависимости от высоты выступов рисунка h в мм новой шины и определяют по формуле: L=1000(h-h₁)/Δh, где h₁-минимально допустимая высота рисунка; Δh-удельный износ рисунка на 1000 км пробега. Долговечность шин зависит от эксплуатационных факторов, снижаясь при ухудшении дорожных и климатических условий, превышении допустимой нагрузки и увеличении скорости движения. На дорогах с булыжно-щебёночным покрытием долговечность шины составит 80-85%, а на дорогах в неудовлетворительном состоянии на лесоразработках, стройплощадках и в каменных карьерах – 50-60% долговечности на дорогах с усовершенствованным покрытием. По сравнению с пробегом шины на равнинных дорогах пробег на горных дорогах снижается на 15-20%.

Износ и разрушение шины ускоряется превышением допустимой нагрузки из-за увеличения деформаций и напряжений в материале покрышки. Коэффициент K_L^Q, учитывающий зависимость пробега L от нагрузки Q, определяют приближённо по формуле: K_L^Q=L_Q1/L_Q=[0,72/(K_Q-0,4)]-0,2. При этом

L_Q и L_Q1 характеризуют пробег при максимально допустимой нагрузке Q и нагрузке Q₁ соответственно, а K_Q=Q₁/Q. При увеличении скорости движения автомобиля износ протектора и теплообразование в шине растут вследствие большего проскальзывания элементов его рисунка по поверхности дороги. Коэффициент K_L^V, учитывающий изменение пробега L от скорости V, определяют приближённо по формуле: K_L^V=L_V1/L_V=[0,72/(K_V-0,15)]-0,2, где L_V и L_V1 -пробег при скорости 50 км/ч и скорости V₁ соответственно, K _V=V₁/V.

Правильная эксплуатация и достижение максимального пробега шины обеспечиваются поддержанием в них оптимального внутреннего давления. При повышении его уменьшается амплитуда напряжений и деформаций в шине, что способствует снижению теплообразования, но возрастают напряжения и соответственно опасность разрыва каркаса при наезде на препятствие. Изменение конфигурации шины под нагрузкой и рост удельного давления в площади её контакта с дорогой при повышении внутреннего давления вызывают ускоренный износ протектора. С повышением давления в шине растут амплитуды деформаций и напряжений, теплообразование и усталостное разрушение, что проявляется в отслоении от резины и разрыве нитей корда, а с повышением – перераспределяется давление по площади контакта с дорогой. Оно снижается в центральной части беговой дорожки протектора и повышается по ее краям, что обуславливает ускоренный износ протектора в этой зоне. Коэффициент K_L^p учитывает зависимость пробега L от внутреннего давления p и определяется по формуле: K_L^p=L_p1/L_p=-1,2K²_p+2,9K_p-0,7, где L_p и L_p1 – пробег при оптимальном давлении p и при давлении p₁ соответственно, а K_p=p₁/p.

Сцепление шины с дорогой – один из важнейших факторов безопасного движения автомобиля. Недостаточное сцепление является причиной 25-40% дорожно-транспортных происшествий на мокрых дорожных покрытиях и 5-10% - на сухих. Сцепление оценивают коэффициентом φ=Р_φ/Q, где Р_φ – сила сцепления шины с дорогой. Минимальные допустимые значения φ изменяются от 0,4 до 0,6 в зависимости от дорожных условий. Конструктивные особенности рисунка протектора не оказывают существенного влияния на сцепление шины с сухим твердым дорожным покрытием, но в значительной степени определяют сцепление с мокрым дорожным покрытием. В частности, от рисунка протектора зависит критическая скорость качения шины, выше которой вода на мокрой дороге не успевает выдавливаться из-под выступов рисунка (эффект аквапланирования). В этом случае тонкий слой воды, отделяющий шину по всей поверхности её контакта от дороги, снижает коэффициент сцепления до 0,02. В последние десятилетия активно решали также проблемы экологической безопасности путем уменьшения расхода топлива автомобилем и количества техуглерода в составе протекторных резин, загрязняющих среду обитания человека продуктами горения и износа.

Сопротивление качению шины определяет динамические качества автомобиля и расход топлива на его движение, от которого зависит количество выбрасываемых в атмосферу вредных продуктов его горения. При скоростях до 100 км/час на преодоление сопротивления качению затрачивается основная часть мощности двигателя автомобиля. Этот показатель существенно зависит от массы шины и конструкции протектора, а также от материалов, из которых они изготовлены. Коэффициент сопротивления качению f=Р_к/Q, где Р_к – сила сопротивления качению. При эксплуатации на мягких грунтах f=0,3-0,4 и на хороших дорогах с асфальтобетонным покрытием f=0,014-0,015.

Амортизационная способность - это свойство шины как элемента подвески автомобиля гасить динамические нагрузки, что проявляется в снижении уровня шума и повышении комфорта езды. Она зависит от жёсткости шины и измеряется нагрузкой на единицу радиального прогиба в кН/м или кгс/см. Амортизационная способность улучшается с увеличением отношения Н/В и ухудшается с увеличением толщины каркаса, угла наклона нитей корда в нём и внутреннего давления в шине. Оптимальная амортизация автомобиля достигается при правильном сочетании значений амортизационной способности шины и других элементов подвески автомобиля.