Шины и проблемы движения колесных машин

Пневматические шины автомобиля с точки зрения трибологии являются чрезвычайно содержательным многогранным объектом.

При работе шины в режиме качения и скольжения реализуются закономерности трения эластомеров. Как технический объект шины выполняют 6 основных функций:

функцию качения с малым сопротивлением;

функцию снижения контактных нагрузок в зоне контакта с дорожным полотном;

функцию демпфера, защиты транспортных средств от толчков, снижения уровня шума;

шина передает крутящийся момент, как источник движения экипажа;

шина обеспечивает торможение;

комплект шин создает поперечную устойчивость и устойчивость в направлении движения.

Чтобы эффективно выполнить эти функции, шина должна представлять собой сложную конструкцию.

Схема контакта между твердой шероховатой поверхностью и эластичной шиной изображена на рис. 5.9.

Если на схеме (см. рис. 5.9) к эластомеру последовательно приложить нормальную и касательную нагрузки, то на участках касания (DA_ri) возникнут упругие нормальные реакции:

, (5.1.)

где Р_ri - давление на площадке фактического контакта.

Р и с. 5.9. Схема образования силы трения в контакте эластомера с твердой шероховатой поверхностью

Приложение тангенциальной силы t вызовет сопротивление адгезионных сил

, (5.2.)

где Т_ri - адгезионные силы на каждом пятне контакта, Т_ri = t DА_ri (t - удельная адгезионная сила трения).

После начала движения кроме адгезионного сопротивления движению начинается еще и деформационное сопротивление, поскольку восстановление деформации эластомера запаздывает (вязкоупругость). Эту составляющую еще назы-вают гистерезисной составляющей трения.

Таким образом, суммарная сила трения эластомера

. (5.3.)

С учетом отмеченного формируют рисунок протектора. Главное назначение рисунка протектора обеспечить отвод влаги из пятна касания шины с дорогой, хотя это неизбежно уменьшает площадь контакта и снижает эффективное значение коэффициента трения (с ~ 0,5 до 0,4).

Наиболее распространены 3 вида рисунка протектора, показанные на рис. 5.10.

Характерные размеры каналов и желобков приведены на рис. 5.11

Зона сцепления шины с поверхностью, форма пятна контакта, распределение давления по пятну контакта показаны на рис. 5.12.

Как видно из рисунка, при торможении или разгоне в передней части пятна контакта проскальзывание отсутствует, но возникает скольжение в его задней части. Это обстоятельство определяет неустойчивость сил торможения или разгона. Они, в целом, меняются в зависимости от режима свободного качения до режима скольжения заблокированного колеса или работы колеса в режиме тягового скольжения.

Общая характеристика тормозной силы и относительной силы тяги при постоянной скорости движения экипажа приведены на рис. 5.13.

Обе кривые на рис. 5.13 имеют экстремальные значения, которые являются оптимальным режимом работы шины.

а б в
Р и с. 5.10. Три основных типа рисунка протектора: а - зигзагообразный; б - ребристый; в – блочный	Р и с. 5.11. Каналы и желобки в типичном зигзагообразном рисунке протектора
	а
Р и с. 5.12. Пятно касания и распределения давления при качении шины: а - пятно касания; б - распределение давления в вертикальной плоскости (сечение А-А)	б Р и с. 5.13. Характеристики тормозной силы и относительной силы тяги при качении: а - торможение; б - разгон

Аналитически силу торможения F_T и силу разгона F_P по Д. Муру (Англия) определяют из следующих соотношений

;

, (5.4.)

где М_Т и М_р - моменты торможения или разгона; h_cg - высота центра тяжести автомобиля над уровнем дорожного полотна; L - колесная база; N - нагрузка в расчете на одно колесо, приложенная посередине между передними и задними колесами; а - эксцентриситет опорной реакции при качении; h - расстояние от оси шины до поверхности.

Однако уравнение (5.4.) дает "идеальные" расчетные результаты, которые подлежат коррекции в случае наличия влаги на поверхности дороги.

Качественную картину работы колеса в осложненных условиях иллюстрирует рис. 5.14.

Перед набегающей шиной образуется заполненный водой клин (см. рис. 5.14,а), создающий гидродинамическую силу Р_н. В зоне АВ протектор выдавливает влагу, а затем все более облегает рельеф дорожного полотна и достигает сцепления в зоне СД.

Реализация сцепления зависит от скорости, рост которой может полностью исключить сцепление и вызвать режим гидропланирования (глиссирования). Если при этом скорость вращения колеса будет возрастать, то наступает еще один качественный режим, называемый динамическим гидропланированием.

Изнашивание шин как представителя эластомеров имеет три основных механизма:

абразивный износ, при котором острые грани неровностей царапают и вырывают частицы материала протектора;

усталостный износ, при котором наблюдается охрупчивание и разрушение материала протектора из-за усталости;

образование роликоподобных частиц (окатышей) и их отрыв от поверхностей протектора.

Соотношение указанных видов износа приведено на рис. 5.15.

Считается, что истирание возникает вследствие проскальзывания в задней части пятна контакта, но, как показывает опыт, шины поворотного действия изнашиваются больше, чем на задних мостах, где реализуются режимы разгона и торможения. Таким образом "поперечные" проскальзывания имеют более вредное действие.

В целях обеспечения безопасности движения и ресурсосбережения развиваются средства повышения качества бутадиен-стирольного каучука, методы повышения прочности и долговечности металлической и тканевой арматуры и, в особенности, методы создания оптимального рельефа протекторов.

Р и с. 5.14. Три зоны на длине контакта при качении по мокрой дороге: а - общая конфигурация; б - зоны в области контакта	Р и с. 5.15. Износ протектора и коэффициент трения для различных резин

Вторым направлением является совершенствование системы колес, тормозных устройств, повышение износостойкости тормозных дисков, применение противозаносных устройств и др.