SiteHeart

Основные эксплуатационные характеристики шин

7.1. Сопротивление качению
Пневматическая шина благодаря наличию в ней сжатого воздуха и упругих свойств резины способна во время деформации поглощать большое количество энергии в обратимой форме. Однако часть энергии при этом расходуется необратимо на внутримолекулярное и механическое трение в материалах шины, между ее слоями и на трение в контакте шины с дорогой. Эти потери энергии называютсяпотерями на качение шины илисопротивлением качению шины Кроме этого, движущееся колесо испытывает сопротивление, обусловленное трением в подшипниках (обычно незначительное) и сопротивле
ние воздуха движению автомобиля (небольшое при низких скоростях движения и возрастающее при его увеличении в квадратной степени). Суммарный эффект этих явлений называютсопротивление движению илисилой сопротивления движению, которую необходимо приложить к автомобилю для поддержания движения, маневрирования, ускорения и торможения. В условиях установившегося равномерного движения сила сопротивления движению равна приложенной к центру колеса толкающей силе или тяговой силе крутящего момента от двигателя. Сопротивление движению в значительной степени определяет расход топлива автомобилем, влияет на его динамические характеристики и зависит от скорости движения автомобиля1.
Из представленного ранее на рис. 2.3 среднестатистического баланса потерь на движение автомобиля видно, что шина поглощает существенную часть энергии, расходуемой на вращение колеса.
Для характеристики потерь энергии на качение часто используют безразмерный коэффициент сопротивления качению f, определяемый следующим образом:
где: — сила сопротивления движению;
Pz — вертикальная нагрузка, приходящаяся на колесо. Основная доля энергии, затрачиваемая на качение шины, определяется гистерезисными потерями, которые зависят от свойств шинных материалов и режимов их нагрузки. Явление гистерезиса традиционно
иллюстрируется графиком процесса деформации упругого элемента и его восстановления после снятия нагрузки На графике показано, что восстановление элемента происходит медленнее, чем его деформирование. Это происходит вследствие наличия внутреннего трения в материале, поглощающего часть энергии деформации, пропорционально закрашенной желтым цветом зоне. Количество поглощаемой на внутреннее трение энергии является неотъемлемой характеристикой любого материала. При качении колеса каждое сечение шины претерпевает циклическое нагружение при входе и выходе из контакта с до


рогой. Энергия, возвращаемая при разгрузке шины, меньше энергии, затраченной на ее деформирование. Для поддержания равномерного качения колеса потери энергии пополняют приложением к его оси соответствующей толкающей силы, или крутящего момента. Чем выше гистерезисные потери в шине, тем больше коэффициент сопротивления качению. Гистерезисные потери составляют 90—95% общих потерь на сопротивление качению шины ведомого и 60—80% — ведущего колеса. Остальная часть энергии, поглощаемая шиной, расходуется на трение и износ шины в контакте с дорогой (особенно при передаче тяговых и тормозных усилий), а также на шумообразование.
Гистерезисные свойства резин связаны с характеристиками их прочности, сцепления с дорогой и износа: улучшение одних обычно приводит к ухудшению других. Значительное улучшение гистерезисных свойств резины (упругости) без снижения уровня других ее характеристик основано на фундаментальных исследованиях в области химии материалов. Последний такой прорыв связан с применением крем-незем/силановых высокодисперсных активных наполнителей Silica (см. параграф 5.1). Шины с низкогистерезисными резинами при малых и средних скоростях уменьшают сопротивление качению на 40% по сравнению с шинами, изготовленными из обычных материалов.
Заметное снижение потерь на качение достигают применением современных типов кордов (см. параграф 5.2). Современные конструкции шин, позволяющие снизить амплитуду деформаций материалов при качении и объем деформируемых материалов также существенно снижают потери на качение (см. параграфы 6.2, 6.3).
Гистерезисные потери энергии в результате внутреннего трения в шине преобразуются в тепло. Максимальное теплообразование наблюдается в наиболее массивной части шины — в ее протектере и бре-кере (рис. 7.2). Как видно из рисунка, они являются одними из самых энергоемких среди других элементов ее конструкции. При качении протектор подвергается деформированию и истиранию о дорожную поверхность. Как отмечалось, резины не могут обеспечить низкие потери на качение и одновременно высокое сцепление с дорогой и стойкость. То же относится и к конструкции шины, у которой снижение высоты рисунка протектора уменьшает

коэффициент сопротивления качению, но и одновременно снижает ресурс шины. Фактически рецептура резины и конструкция протектора — это всегда компромисс между требованиями по безопасности, надежности, экономичности и долговечности.
Один из путей снижения потерь—двухслойный протектор {рис. 7.3). Нижняя часть протектора, подканавка, не находящаяся в контакте с дорогой, изготавливается из низкогистерезисной резины, а верхняя, включающая рисунок протектора, — из резины, обладающей хорошими износостойкостью и сцеплением. Такая конструкция позволяет снизить потери на 5% по сравнению с обычным однородным протектором.
Эффект от использования энергосберегающих материалов и конструкций шины может быть усилен или, наоборот, ослаблен эксплуатационными факторами.
На коэффициент сопротивления качению влияют:
—тип покрытия дороги и ее состояние;
— продолжительность и скорость движения;
— нагрузка и давление воздуха в шинах;
— техническое состояние автомобиля.
Теплообразование зависит от степени деформаций шины и их частоты (скорости автомобиля и давления в шине). На рис. 7.4 показана взаимосвязь этих факторов. Эксплуатация шин на высокой скорости с пониженным давлением существенно увеличивает потери на качение, расход топлива, теплообразование в шине.
При долгом безостановочном движении автомобиля по трассам с усовершенствованным покрытием шина нагревается до стабильного равновесного состояния, гистерезисные потери в резине сокращаются вследствие уменьшения межмолекулярного трения, снижается коэффициент сопротивления качению (рис. 7.5). Одновременно при повышении температуры шины в ней возрастает внутреннее давление и уменьшаются ее деформации, что также способствует уменьшению потерь. Через 1,5—2 часа равномерного движения температурный баланс и соответственно потери на качение стабилизируются. При этом


коэффициент сопротивления качению снижается примерно на 20% по сравнению с холодной шиной.
Снижение потерь наблюдается и при увеличении температуры окружающей среды. В среднем повышение температуры окружающего воздуха на 1 °С приводит к уменьшению коэффициента сопротивления качению на 1%. И наоборот, зимой при низких температурах коэффициент сопротивления качению увеличивается. Например, в начале движения при собственной температуре шины —7 °С сопротивление качению может быть в 3 раза больше, чем при рабочей температуре шины 93 °С летом.
На мокрой дороге сопротивление качению возрастает по сравнению с сухой, так как вода охлаждает шину, снижает трение в контакте, а часть энергии затрачивается на выдавливание воды из зоны контакта. При качении по грунтовым дорогам часть энергии движения тратится на пластическое деформирование грунта и создание колеи. Поэтому потери на качение по дорогам с твердым покрытием ниже.


Шероховатость твердого покрытия дороги также имеет значение, так как влияет на расход энергии на трение и износ рисунка протектора, на частоту и амплитуду колебаний и на шумообразование при качении (рис. 7.6). Коэффициент сопротивления качению также растет с увеличением крутящего момента и тем больше, чем выше гистерезис.
7.2. Максимальная скорость
С ростом частоты циклов деформации шины, т.е. скорости качения, повышается ее температура (см. рис. 7.4). Начиная с определенного значения скорости, частота деформаций элементов шины совпадает с их собственной частотой колебаний, резко возрастает температура шины и достигает критического значения, при которой шина быстро разрушается. Высокая температура — смерть шины. Для современных шин это около 120°С. Чем выше критическая скорость, при которой достигаются эти условия, тем лучше шина приспособлена для работы на высокоскоростных автомобилях. Критическая скорость повышается с уменьшением веса шины, в частности, наиболее массивной и разогреваемой ее части — протекторе, и снижением степени деформации шины, например, путем увеличения давления воздуха в шине (рис.
Работоспособность шины при критической скорости исчисляется минутами, в течение которых она полностью выбывает из строя (рис. 7.8).
Во всех случаях максимально допустимая скорость шины должна ытьменьше критической на 10—20%.
Показатель максимальной скорости шины (индекс категории скорости) подразумевает ту скорость, при малейшем превышении которой шина может начать разрушаться. Скоростная категория шины служит своеобразным индикатором запаса прочности и надежности шины. Для


обозначения категории скорости используются индексы — латинские буквы отАдо Z (рис. 7.9, Приложение 3).
Максимально допустимые эксплуатационные скорости шин устанавливаются для определенных нормативных величин их деформации, которые в свою очередь определяются нагрузкой на шину и ее внутренним давлением.
Если по каким-либо причинам нагрузка на автомобиль превышает нормативную (см. параграф 7.3), то индекс скорости должен быть снижен. Обычно рекомендуется снижать индекс максимальной скорости на столько ступеней, на сколько превышен нормативный индекс нагрузки, или руководствоваться специальными рекомендациями изготовителя. Это правило особенно важно соблюдать для шин грузовых автомобилей, перевозящих тяжелые неделимые грузы.

7.3. Грузоподъемность шины Грузоподъемность шины (максимальная допустимая статическая вертикальная нагрузка на шину) характеризует способность шины в течение всего срока ее ресурса выдерживать вес груженого транспортного средства при соблюдении правил эксплуатации шины. Грузоподъемность зависит главным образом от габаритов шины, внутреннего давления, числа слоев корда и его типа, а также от эксплуатационных условий. Для каждой шины и условий эксплуатации устанавливают оптимальные значения степени ее деформации и, соответственно, давления воздуха в шине и нагрузки на шину, обеспечивающие минимальные потери на качение и теплообразование, которые в свою очередь, определяют расход топлива, надежность и долговечность шины. Увеличение нагрузки на шину выше нормы увеличивает ее прогиб (стрелу прогиба, см. рис. 2.2) более нормативного, возрастают потери на качение, температура шины и сокращается срок ее службы. Например, по данным фирмы Michelin, при увеличении нагрузки грузовой шины на 20% выше нормы срок ее службы снижается в среднем на 30%, а при увеличении на 40 % — вдвое (рис. 7.10). Эксплуатация шины с перегрузкой нередко приводит к разрушению каркаса (рис. 7.1 Г).
Грузоподъемность шин в разных странах может измеряться в разных системах, например, в килограммах — в Европе или в фунтах — в Северной Америке. Чтобы избежать путаницы, для обозначения грузоподъемности принято использовать индекс несущей способности (грузоподъемности). В качестве индексов приняты безразмерные цифры, каждая из которых соответствует определенной нагрузке (рис. 7.12, Приложение 10.2).


Грузоподъемность шин также может обозначаться показателемнорма слойности — НС или PR — на зарубежных шинах. Это условная величина, показывающая, какому числу слоев каркаса из текстильного корда эквивалентна прочность каркаса данной модели шины. Например, — для грузовых или 4PR — для шин легковых автомобилей.

Это устаревший показатель, но он еще часто используется и бывает удобен, если несколько шин одного и того же размера способны выдержать разные нагрузки.
7.4. Давление воздуха в шинах Пневматическая шина сконструирована для работы при определенном давлении воздуха в ней с учетом несущей способности и эксплуатационной скорости, максимального обеспечения долговечности шины, безопасности, комфортабельности и экономичности эксплуатации автомобиля. Фактом является то, что автомобиль несет не столько шина, сколько накачанный в нее воздух. Отклонение от установленной изготовителями шины и автомобиля нормы внутреннего давления воздуха приводит к ухудшению указанных функций шины.
Снижение давления в шине увеличивает амплитуду ее деформаций и степень проскальзывания выступов рисунка протектора по дорожному покрытию, повышает потери на качение (рис. 7.13) и, соответственно, теплообразование, что приводит к ускоренному усталостному разрушению
Отклонение величины внутреннего давления от нормы приводит к деформации профиля шины, неравномерному ее износу. При давлении ниже нормы наблюдается повышенный износ рисунка протектора по углам беговой дорожки (рис. и снижение срока службы шин. Снижение давления в легковой шине на 50 кПа сокращает срок ее службы вдвое. При давлении на 20% ниже нормы срок службы легковой шины сокращается в среднем на 30%, грузовой — примерно на 20% (рис.7.15).
Случайное значительное падение давления в шине можно своевременно обнаружить во время движения автомобиля по уводу его в сторону шины с пониженным давлением, ухудшению управляемости и по улучшению плавности хода. При длительном движении даже при срав


нительно небольшом снижении давления увеличивается деформация и температура боковых стенок шины, что приводит к кольцевому излому каркаса. Внешний признак кольцевого излома — темная полоса на внутренней поверхности шины по всей ее окружности (рис. 7.16). Эта полоса свидетельствует о начале разрушения каркаса. Дальнейшая эксплуатация шины приводит к отслаиванию нитей корда от внутреннего слоя резины и затем к разрыву каркаса.
Увеличенная деформация шины с пониженным внутренним давлением повышает потери на качение, заметно увеличивает расход топлива (см. рис. 7.4), ухудшает управляемость автомобилем, увеличивает боковой увод, способствует возникновению аквапланирования (см. параграф 7.5).
Повышение давления в шине также ускоряет износ протектора, особенно по средней части беговой дорожки, из-за увеличения удельного давления в контакте с дорожным покрытием в этой зоне (рис. сокращает срок службы шины (рис. 7.15). Ухудшаются амортизационные свойства шины, плавность хода автомобиля и комфортабельность езды. Возрастающие напряжения в элементах шины увеличивают опасность разрыва ее каркаса и бре-кера при наезде на препятствия, особенно с большой скоростью, и могут стать причиной крестообразного разрыва каркаса (рис. 7.17).
Давление воздуха в шине должно соответствовать рекомендациям завода-изготовителя автомобиля, но не выше предельно допустимого,



указанного на боковине шины. Предельно допустимое давление, соответствующее предельно допустимой нагрузке, гравируется на обеих боковинах шин в американской системе единиц — в фунтах на квадратный дюйм (PSI), в международной системе СИ — в мегапаскалях (МПа) или килопаскалях (кПа), а также в устаревшей, но часто используемойевропейской системе — в кгс на квадратный сантиметр
(кгс/см2). Между этими размерностями существует следующее соотношение:
1 PSI = 0,0069МПа = 7кПа = 0,07 кгс/см2.
Большинство современных шин имеют обозначения максимально допустимого давления одновременно в нескольких системах измерений, так что обычно нет необходимости их пересчитывать.
Снижение внутреннего давления в шине ниже нормы недопустимо. В некоторых исключительных случаях можно допустить увеличение давления в пределах 10 кПа (0,1 кгс/см2) выше нормы для шин легковых автомобилей и 20 кПа (0,2 кгс/см2) — для грузовых. Для зимних шин повышение давления на 20 кПа (0,2 кгс/см2) можно рекомендовать для увеличения удельного и суммарного давления в пятне контакта при соответственном увеличении нагрузки на ведущие колеса. Следует учитывать, что шина не абсолютно герметична. Давление в ней постепенно понижается из-за диффузии воздуха через стенки камер или недостаточно плотной (герметичной) посадки бортов бескамерной шины на полки обода, дефектов золотника, неплотности крепления вентиля и повреждений шины.
Нельзя судить о внутреннем давлении в шине на глаз или по звуку при ударе, т.к. при этом даже опытный водитель может ошибиться на 20-30%. Контроль давления должен производиться шинным манометром регулярно с интервалом не более 14 дней. Следует пользоваться только проверенными манометрами с ценой деления не более кПа кгс/см2) и шкалой от 0 до 500 кПа (от 0 до 5 кгс/см2) для легковых шин, шкалой от 0 до 1 (от 0 до 10 кгс/см2) для легкогрузовых и
шкалой от 0 до 2 МПа (от 0 до 20 кгс/см2) для грузовых шин.
7.5. Сцепление шины с дорогой Сцепление шины с дорогой является одним из решающих факторов безопасности дорожного движения. Движение автомобиля возможно благодаря способности шины к сцеплению с дорожным покрытием. Это позволяет шине воспринимать и передавать касательные силы, возникающие в контакте с дорогой под воздействием тяговых и тормозных усилий.
В общем случае в плоскости качения к колесу должны быть приложены нормальная нагрузка продольная сила и/или крутящий момент М , обеспечивающие поддержание прямолинейного движения с линейной скоростью V и вызывающие реакции дороги Rz и Rx (рис. 7.18). Очевидно, что даже для свободного качения к колесу должна быть приложена продольная сила и/или крутящий момент, компенсирующие потери энергии при внутреннем и внешнем трении, равные силе сопротивления качению (см. параграф 7.1). Равнодействующая

касательная реакция опорной поверхности на ведущее колесо Rx направлена в сторону движения и является той внешней силой, которая сообщает поступательное движение автомобилю. Тормозящую силу касательной реакции опорной поверхности создает тормозной крутящий момент, противоположный направлению вращения колеса.
Как видно из рис. 7.18, режимы качения отличаются направлениями приложения крутящих моментов и продольных сил, однако
во всех случаях касательные реакции опорной поверхности направлены в сторону, противоположную направлению продольных сил приложенных к колесу. Если продольная сила сравнивается с максимально возможной в данных условиях опорной реакцией max (силой трения то колесо теряет сцепление с дорогой.
Продольная сила Рх во всех случаях должна быть меньше максимально возможной в этих условиях касательной опорной реакции дорожного покрытия max, называемой силой трения F. Таким образом, условие

устойчивого поступательного движения автомобиля определяется выражением:

Кроме перечисленных силовых факторов, действующих в плоскости качения колеса, к автомобильной шине всегда приложены боковые силы и моменты. Они возникают при маневрировании (рис. 7.19), а также из-за поперечных уклонов дорожного покрытия, установки колес с углами схода и развала, вследствие собственной неоднородности шины, под действием бокового ветра и др.
Под действием боковых сил и моментов направление движения отклоняется от неизменной плоскости качения колеса, определяемой ободом, на угол 8, называемый углом бокового увода. При этом шина деформируется до определенного предела, а затем начинает частично проскальзывать в зоне контакта. Тангенс угла увода, характеризуя зависимость между боковой силой и скольжением, называется коэффициентом бокового скольжения. Этот показатель может служить критерием влияния шины на устойчивость и управляемость автомобиля. На рис. 7.20показано, как меняется соотношение между зонами сцепления и проскальзывания в контакте шины с дорогой в зависимости от величины угла бокового увода. Увеличение угла бокового увода увеличивает зону скольжения и может привести к потере сцепления колеса с дорогой.
Современные низкопрофильные шины с увеличенной жесткостью боковых стенок и пятном контакта отличаются повышенным сцеплением с дорогой, существенно улучшают устойчивость и управляемость автомобиля (см. параграф 6.3,рис. 6.14).
При резких маневрах боковые реакции в контакте шины с дорогой значительно возрастают, особенно при больших скоростях и ускорениях. При этом суммарное значение продольных и боковых сил в контакте может стать выше силы сцепления шины с дорогой, колесо

потеряет связь с дорогой, даже если каждая из слагаемых меньше силы сцепления шины с дорогой.
В главе 2 (см. рис. 2.1) наглядно показано сложение продольной и боковой сил в виде силовой диаграммы, называемойкруги Камма.
Силу сцепления шины с дорогой принято оценивать коэффициентом ji, равным отношению максимально возможной касательной реакции в зоне контакта Rmax (или силой трения) к нормальной реакции R2 или нагрузке Р2, действующей на колесо:

Сцепные свойства шины определяются коэффициентами продольного и бокового сцепления. В первом случае максимальная реакция вызывается тяговым или тормозным усилием, развиваемым буксующим ведущим или скользящим тормозным колесом. Во втором случае максимальная реакция вызывается боковой силой, возникающей в контакте с дорогой скользящего в боковом направлении колеса.
Между приведенной выше иклассической формулой трения имеется определенная аналогия. Однако в классической формуле коэффициент трения — относительно постоянное физическое свойство пары материалов, находящихся в контакте, например резина — асфальт или резина — сухой лед. А коэффициент сцепления шины с дорогой может колебаться в широких пределах от 0,05 до 1 в зависимости от типа и состояния дорожного покрытия, материала и конструкции шины, а также от динамических условий качения колеса и других факторов, определяющих соотношение действующих в контакте сил. Требования по безопасности движения обеспечиваются при значении не ниже 0,4-0,6.
Факторы, оказывающие влияние на величину и характер сцепления, или, иными словами, на условия контакта шины с дорогой, с некоторой долей условности можно разделить на внешние (по отношению к шине) и внутренние, определяемые свойствами конструкции шины.
Внешние факторы — это погодные условия, естественные и технологические уклоны дорожного покрытия, крутизна поворотов дороги, скорость их прохождения, неисправности подвески автомобилей, состояние дисков и тормозов, степень транспортного средства, равномерность и симметричность распределения нагрузки и многие другие.
Среди внешних факторов определяющее значение имеет состояние дорожного покрытия. Сцепление значительно снижается на мокрой и обледеневшей дороге, коэффициент сцепления с мокрым покрытием в полтора раза меньше, чем с сухим, а с обледенелым — на порядок ниже. При этом значительно удлиняется тормозной путь автомобиля.

Таблица 7.2


В таблице 7.2 показан пример изменения тормозного пути автомобиля в зависимости от состояния дорожного покрытия, тормозной путь легкового автомобиля с начальной скоростью 80 км/ч увеличился с 28 м — на сухой дороге до 252 м — на обледенелой. А на влажном льду эти показатели вдвое хуже. К этому можно добавить, что слой грязи и пыли на сухой дороге может действовать как смазка, ухудшающая сцепление.
Для шин, эксплуатируемых в зимнее время года, сцепление улучшают за счет правильного выбора конструкции шины, рисунка протектора (в том числе с шипами) и рецептуры (см. параграф 4.7.1).
При качении колеса эластичная шина деформируется, стремясь в зоне контакта принять форму более твердой дорожной поверхности. При этом происходят деформации материалов шины, которые в площади контакта сопровождаются местными проскальзываниями элементов рисунка протектора относительно дороги. Проскальзывание измеряется разностью между скоростью автомобиля и линейной скоростью вращения колеса. Степень проскальзывания заметно влияет на коэффициент сцепления шины с дорогой. Нарис. 7.21 показано изменение коэффициента сцепления в зависимости от степени суммарного продольного и бокового проскальзывания шины и состояния дорожного покрытия. На графике нулевая точка соответствует перекатыванию протектора по дорожному покрытию (как гусеница); уровень проскальзывания 100% соответствует полной блокировке колес


(юзу). Максимальное значение коэффициента сцепления при прочих равных условиях достигается при проскальзывании в диапазоне от до 30 % и зависит от состояния дорожного покрытия. Современные электронные системы ABS и ESB призваны автоматически регулировать режим торможения при оптимальном проскальзывании, обеспечивающий в реальных дорожных условиях использование максимально возможной силы сцепления. При этом ограничиваются непродуктивные более высокие степени проскальзывания и, соответственно, снижается износ рисунка протектора. Однако на гладкой обледенелой поверхности эти системы практически бесполезны.
На влажной и мокрой поверхности коэффициент сцепления существенно снижается с ростом скорости (рис. 7.22) [2]. Сцепление шины с сухой дорогой сравнительно мало зависит от скорости и определяется в первую очередь типом дорожного покрытия и свойствами резины протектора. Сцепление тем выше, чем больше площадь контакта шины с дорогой. Этим объясняется некоторое увеличение коэффициента сцепления на сухой дороге у шины с изношенным рисунком протектора по сравнению с новой (верхний график): в основании рисунка площадь его выступов несколько больше.
На мокрых дорогах сцепление определяется гидродинамическими свойствами пленки воды между шиной и дорогой (рис. средний и нижний графики) и способностью рисунка протектора выдавливать и удалять жидкость из зоны контакта узкими прорезями,впитывающими влагу, и открытыми канавками, служащими для отвода воды


из зоны контакта (см. параграф 4.7.1). При малой скорости движения и тонкой водяной пленке на поверхности мокрой дороги вода почти полностью выдавливается и отводится из плоскости контакта выступов рисунка протектора с полотном дороги (рис. 7.23, а), коэффициент сцепления не намного меньше, чем на сухой дороге (рис. 7.22, начало среднего графика).
С увеличением толщины слоя воды и скорости движения резко растет объем воды, подлежащей вытеснению, удаление ее из зоны контакта затрудняется (рис. 7.23, б). Фирма Michelin назвала количество воды, необходимое для вытеснения при скорости 80 км/ч, — это приблизительно 25 л/с. Не всякая шина способна поглотить такое количество воды! Отвод воды из зоны контакта протектора с дорожным покрытием особенно затруднен у низкопрофильных и широкопрофильных шин, отличающихся относительно широкой беговой дорожкой протектора.
С увеличением водяного слоя и скорости падает коэффициент сцепления. При этом в отличие от сухой дороги с ростом скорости падение тем больше, чем больше износ рисунка протектора, так как сокращается объем углублений рисунка и, соответственно, их способность поглощать и отводить влагу. В примере, приведенном на нижнем графике рис. толщине слоя воды 6 мм и остаточной глубине
рисунка протектора 1,5 мм (немногим меньше допустимого предела 1,6 мм) при скорости около 80 км/ч коэффициент сцепления снижается до 0 и возникает аквапланирование.
По мере повышения скорости перед шиной образуется утолщение водяной пленки — водяной клин, затем объем клина увеличивается, шина не успевает отводить всю воду, клин постепенно задвигается под шину, соприкасается с дорогой лишь часть выступов рисунка по плечам
и на выходе в задней части пятна контакта. С возрастанием скорости этот контакт все больше и больше утрачивается. По достижении критической скорости водяной клин полностью задвигается под шину, колесовсплывает, автомобиль не слушается руля. Возникает катастрофическая ситуация, похожая на танец на льду, поэтому аквапланирование называют также скольжением по воде. Фотографии пятна контакта сделаны снизу через стеклянную плиту, покрытую слоем воды толщиной 5 мм при проезде по ней автомобиля с различными скоростями.
На рис. 7.25 показан пример определения критической скорости по степени скольжения переднеприводного колеса: при 80 км/ч неизношенная шина достигла предельного значения проскальзывания — 15% и полностью утратила контакт с дорогой.
Значения критической скорости современных моделей шин находятся в пределах 92 — 98 км/ч (рис. 7.26). Для шин с изношенным рисунком критическая скорость, примерно, на 30 км/ч меньше.



Влияние глубины рисунка протектора шины на величину критической скорости, при которой возникает аквапланирование при разной толщине водяной пленки, было показано на рис. 7.22.
Величина критической скорости аквапланиро-вания зависит также от внутреннего давления в шине. Скорость вхождения шины в аквапланирование уменьшается при снижении давления, так как при этом снижается удельное давление в пятне контакта шины с дорогой, особенно по центру беговой дорожки {см. рис. 7.14, б). В результате на мокрой дороге водяной клин легче задвигается под шину, значительно понижается уровень критической скорости, при которой шина всплывает (рис. 7.27).
Особенно коварно поперечное аквапланирова-ние при маневрировании на мокрой дороге: под воздействием силы бокового увода (рис. 2.1, 7.19 и 7.20) шины передней и задней осей внезапно теряют контакт с дорогой, автомобиль заносит, он становится полностью неуправляемым. Наиболее тяжелые условия — гладкий тающий лед при температуре около О °С, покрытый водяной пленкой, и слашпленинг (снежно-водяная каша,рис. 7.28).
Среди многочисленных требований, предъявляемых шине, безопасность при аквапланировании является одним из наиболее важных. Производители шин ставят эту проблему во главу угла. Однако не существует шин, обеспечивающих полную безопасность от наступления явления аквапланирования. Поэтому независимо от квалификации водителя для избежания явления аквапланирования, он должен соблюдать следующие правила:


7.7. Нормы допустимого Допустимый износ протектора ре-износа протектора гламентируют размером остаточной
высоты выступов рисунка протектора, по достижении которой шина должна сниматься с транспортного средства.
Остаточная высота рисунка протектора, ниже которой рисунок теряет свои свойства и дальнейшая эксплуатация шины становится опасной, в большинстве стран определяется законодательно. В России для шин легковых автомобилей — 1,6 мм, для шин грузовых автомобилей — 1,0 мм, для шин автобусов и троллейбусов — 2,0 мм, для шин мотоциклов и мопедов — 0,8 мм. Однако эти нормы обеспечивают безопасность лишь на сухой или слабо увлажненной дороге с твердым покрытием. Для мокрого дорожного полотна они не приемлемы. На рис. 7.29 показан пример существенного увеличения тормозного пути на влажной дороге по мере износа рисунка протектора. Тормозной

путь легкового автомобиля при снижении скорости со 100 до 60 км/ч в случае предельно допустимого износа протектора с остаточной высотой рисунка 1,6 мм достигает 80 м, т.е. в полтора раза больше, чем в случае новых шин с неизношенным рисунком высотой 7 мм.
По мере износа рисунка протектора его элементы во время качения, в момент контакта с дорожным покрытием при торможении, деформируются в меньшей степени. Чем больше глубина рисунка протектора, тем более он энергоемок, тем более эффективно торможение. По мере износа рисунка протектора уменьшается объем деформируемой резины и снижается сопротивление качению: до 3% на каждый миллиметр износа, соответственно снижается эффективность торможения (в случае одинаковой площади контакта с дорожным покрытием).
В международной практике устанавливают дифференцированные допуски на износ протектора (рис. 7.30). Известные авторы [2] рекомендуют для гарантии безопасности легковых автомобилей в летних условиях не допускать эксплуатацию шин с оставшейся глубиной рисунка менее 2 мм, а широкопрофильных шин — 3 мм. Зимние шины теряют свои ходовые качества на снегу при глубине рисунка менее 4 мм. В Австрии на некоторых горных дорогах предельный износ рисунка протектора зимой установлен 4,5 мм.
Учитывая важность своевременного обнаружения критического уровня износа для безопасности движения, канавки рисунков современных шин в нескольких сечениях по окружности имеют специальные мостики — индикаторы износа (рис. 7.31). Если по мере износа протектора на каком-то его участке высота рисунка сравнялась с индикатором, то шина должна быть заменена.

Рис. 7.30. Диаграмма износа рисунка протектора и нормы износа протектора, принятые за рубежом для шин легковых автомобилей; предельно допустимый износ, установленный законодательно, и рекомендуемый для разных дорожных условий: зона А - высота рисунка протектора новых шин;

зона Б износа рисунка протектора. В ней обеспечивается безопасность при движении зимой на зимних шинах по снегу и грязи. Предельное минимальное значение высоты протектора в зоне Б - 4 мм;

зона В износа рисунка протектора. В ней обеспечивается безопасность при прохождении летом мокрых участков дороги, при этом риск акваплани-рования минимален. На границе этой зоны - 3 мм остаточной высоты рисунка - риск аквапланирования, особенно для широкопрофильных шин, возрастает. Кроме того, резко возрастает тормозной путь автомобиля;

зона Г износа рисунка протектора. В ней явления, сопутствующие нижней границе зоны В, - 3 мм еще в большей мере возрастают. Высота рисунка протектора 1,6 мм является минимальным пределом, при котором допускается эксплуатация шин. При такой высоте протектора обеспечивается только остаточная безопасность шины



7.8. Силовая неоднородность. Углы установки колес
Местные утолщения или нарушения симметрии внутренней структуры шины приводят к неравномерности распределения массы в ее окружной и меридиональной плоскостях. В процессе качения колеса центробежные силы неодинаково воздействуют на разные участки шины, что, в свою очередь, приводит к радиальным и боковым биениям. Колесовосьмерит. Чем больше скорость, тем выше неуравновешенная центробежная сила, приводящая к периодическим изменениям радиальной нагрузки на колесо.
Шина как бы стремится статьне совсем круглой в плоскости качения. Эти геометрические метаморфозы не видны на глаз. Резонансное совпадение собственных колебаний шины с колебаниями, вызванными ееутяжеленным местом, при определенной скорости приводит к вибрации, прерывистому гулу, снижает сцепление с дорогой, понижает управляемость автомобилем, безопасность и комфортабельность езды, сокращает срок службы ходовой части, кузова автомобиля и шин, приводит к повышенному пятнистому износу протектора (рис.732, 733).
Процесс устранения эффекта неоднородности называется балансировкой шин. Обычно неоднородность шины контролируется и устраняется заводами-изготовителями в процессе производства. Перед установкой шин на автомобиль и периодически в процессе эксплуатации они должны быть сбалансированы в сборе с и камерой (если шина камерная).
Отклонение углов установки колес от нормы — причина неустойчивого движения автомобиля ( увода,рысканья), неравномерного и преждевременного износа шин(/?ис. 7.34), деталей подвески, а также повышенного расхода топлива.
Нарушение геометрии осей автомобиля и углов установки колес (рис. 7.35) существенно увеличивает сопротивление качению, так как при этом возраста

Рис. 7.33. Несбалансированная шина с повышенным, пятнистым износом рисунка протектора




ют боковые нагрузки на шину и, как следствие этого, увеличивается зона проскальзывания и износа элементов рисунка протектора в контакте с дорогой. Износ принимает неравномерный характер, нарушается геометрическая однородность и сбалансированность колеса, возрастают нагрузки на подшипники и другие элементы подвески колеса. В результате нагрузки на шины возрастают и процесс развивается как снежный ком. С каждым новым циклом расходуется все больше энергии вплоть до выхода шины из эксплуатации из-за преждевременного, обычно одностороннего, износа или даже разрушения.
Шум генерируется в основном в контакте шины с дорогой. В накачанном состоянии шину можно сравнить с туго натянутым барабаном, по которому с силой разной интенсивности бьют неровности и шероховатости дорожного покрытия, генерируя звуки, сливающиеся в шум. Наиболее шумное покрытие — брусчатое. Кроме того, в процессе качения шины порция воздуха как бы захватывается в пространстве между канавками рисунка протектора и дорогой и выдавливается из зоны контакта с характерным свистом. Поскольку рисунок протектора состоит из регулярно повторяющихся с определенным шагом элементов, то при достижении шиной определенной скорости в канавках рисунка может образоваться постоянная звуковая волна и шина начинаетгудеть.
Уровень шума и порог скорости вращения колеса, при котором он возникает, зависит от особенностей дизайна рисунка протектора,
характеристик шины, силовой и статической неоднородности шины, свойств дорожного покрытия. Чтобы снизить шума, элементы рисунка протектора скоростных шин проектируются с переменным по окружности шагом (см. параграф 4.7).
Шины с зимним рисунком, особенно с шипами, наиболее шумные. Применение шин с абразивными гранулами в рисунке протектора вместо шипов (см. параграф 4.7.1, рис. 4.8) существенно снижает шумообразование. По результатам сравнительных испытаний в Ин-статуте дорог и транспорта Швеции шины Green Diamond с мелкими абразивными гранулами корунда, карборунда при езде по дорогам с твердым покрытием создают в 2,5 раза меньше шума, чем шипованные шины.
Различают наружный и внутренний шум в автомобиле. Внешний шум ухудшает окружающую среду, внутренний снижает комфортабельность езды в автомобиле, повышает утомляемость водителя и пассажиров. Существенно и то, и другое.
На рис. 7.36 показаны результаты замера внешнего и внутреннего шума легкового автомобиля на шинах разных конструкций и с раз
ными рисунками протектора. С ростом скорости увеличивается шум, особенно внешний. Диагональные и радиальные шины с одинаковым типом рисунка протекторапродольные ребра имеют близкий уровень шумообразования. Заметно увеличивает шум рисунок из отдельных блоков, особенно внутри автомобиля.
Грузовые шины в зависимости от шумообразования делят на три группы: самые шумные — шины высокой проходимости с широкими канавками, менее шумные — шины с центральными продольными ребрами и поперечными канавками в плечевой зоне, наименее шумные — шины с рисунком протектора в виде продольных ребер.
Износ рисунка протектора заметно увеличивает уровень шума. У шин разных типов максимальное шумообразование достигается при разной степени износа. Давление воздуха в грузовых шинах оказывает неопределенное влияние на шумообразование: у одних с ростом давления увеличивается, у других — снижается.
Уровень шума, генерируемого большинством агрегатов современного автомобиля, нормируется национальными и международными стандартами, требования которых постоянно ужесточаются. На фонетихого автомобиля шум от шин становится заметным в общем балансе других источников, включая двигатель. В первую очередь это касается легковых автомобилей. Поэтому Европейская Экономическая Комиссия (ЕЭК) постепенно вводит в свои правила, регулирующие сертификацию шин, положения, отражающие способность шин к генерации шума при качении по различным типам дорог. Шины, удовлетворяющие требованиям ЕЭК, получают дополнительный знак — буквуS — в конце номера сертификата (см. Приложение 10.5), а в будущем планируется ввести специальный ярлык, отражающий уровень качества шин, включая шумообразование (см. рис. 7.41).

7.10. Ресурс и полный ресурс Под ресурсом шины понимается шины суммарный пробег, в течение ко
торого шина сохраняет свою работоспособность при соблюдении правил эксплуатации. Полный ресурс шины — это ее ресурс с учетом пробега после восстановления протектора. Ресурс шины тем выше, чем выше износостойкость рисунка протектора. Полный ресурс определяется способностью шины к многократному восстановлению протектора. Ресурс шин может значительно сокращаться при нарушении правил их эксплуатации и хранения, применении на транспортных средствах и в условиях, для которых эти шины не предназначены, эксплуатации на неисправных автомобилях. Кроме того, на срок службы шин значительно влияют такие факторы, как:
скорость и условия вождения. Неровные дороги, резкое ускорение движения, частое торможение создают условия, которые могут значительно снижать срок службы шин (при скорости 120 км/ч шина изнашивается в 2 раза быстрее, чем при скорости 70 км/ч);
— температура окружающей среды. На характеристики износостойкости рисунка протектора шин и вероятность перегрева и разрушения элементов конструкции в немалой степени влияет температура воздуха во время движения;
—недостаточный или избыточный уровень внутреннего давления. При снижении внутреннего давления увеличивается амплитуда деформаций шины и повышается теплообразование, что приводит к ускоренному усталостному разрушению шины. При давлении выше нормы ускоряется износ протектора, особенно по центру беговой дорожки, из-за увеличения давления в контакте; возрастающие при этом напряжения в элементах конструкции увеличивают опасность разрыва каркаса и бреке-ра при наезде на препятствия, особенно на высокой скорости, и могут стать причиной внутренних расслоений;
—удары о бордюры тротуаров, движение по выбоинам на высокой скорости, камни и другие препятствия могут быть причиной по -вреждения шины особенно при перегрузе и нарушении норм внутреннего давления в шине, последствия которых не всегда проявляются сразу (см. 7.3, 7.4).
Соблюдение правил эксплуатации шин и условия их эксплуатации, стиль вождения автомобиля и его техническое состояние, другие факторы, отмеченные выше, оказывают существенное влияние на ресурс шины. На рис. 7.37 представлены европейские статистические данные наблюдения за ходимостью шин легковых автомобилей в зависимости от стиля их вождения. Если при нормальном стиле вождения средний пробег шин составлял около 50 000 км, то жесткий (агрессивный) стиль,

с нарушением указанных выше правил снизил этот пробег вдвое. Напротив, очень спокойный стиль вождения позволил вдвое увеличить пробег. На рис. 7.38 показана зависимость срока службы грузовых шин от условий их эксплуатации.
7.11. Эффективныйресурс. Чем больше эксплуатационные Экономическая нагрузки на шину, чем интен
эффективность шин сивнее она эксплуатируется, тем
меньше ее срок службы. В зависимости от условий перевозок ресурс шин, выраженный в километрах пробега, может различаться в 1,5 раза и больше. Для сравнения эффективности и выбора оптимального

типоразмера грузовой шины применительно к конкретным условиям эксплуатации обычно определяется эффективный ресурс как произведение пробега шины в километрах на массу перевезенного ею груза в тоннах за определенное время в часах: в тонно-километро-часах (ТКЧ); Особенно важен этот комплексный показатель для шин, эксплуатирующихся в тяжелых условиях — в различных карьерах, шахтах, на земляных и других подобных работах. Некоторые заводы-изготовители указываютнормативное значение эффективного ресурса — — на боковине шины.
Повышение грузоподъемности шины достигают совершенствованием ее конструкции, увеличением прочности и габаритов шина, объема содержащегося в ней воздуха. Это обычно сопряжено с увеличением массы шины и, соответственно, с ростом ее стоимости и эксплуатационных расходов (в первую очередь расхода топлива).
Эффективность (экономичность) шины (Э) оценивают суммарными затратами, отнесенными к 1 км ее пробега, по формуле:

Э = СШ/QL+CT/Q,
где: Сш — сумма стоимости шины и затрат на ее ремонты; Q — грузоподъемность шины;
L — пробег шины до списания (с учетом пробега после ремонта); Ст — стоимость топлива на 1 км пути для компенсации потерь качения в шине.
7.12. Оценка качества шин Рассмотренные в настоящем параграфе эксплуатационные характеристики шины предъявляют к ней противоречивые, порой взаимоисключающие требования, которые условно можно объединить в две основные антагонистичные категории:
— требования безопасности движения, включающие высокие показатели сцепления с дорогой, торможения, устойчивости и управляемости при маневрировании, особенно зимой;
— экономичность и охрана окружающей среды, в том числе низкие сопротивление качению и теплообразование, высокие максимально допустимые скорости и износостойкость, минимальный уровень вредных выделений в окружающую среду.
Вторая группа требований обеспечивается при минимальном поглощении шиной подводимой к ней энергии, а первая группа — наоборот.
Для определения эксплуатационного качества шины в целом используют сумму баллов оценки каждой из ее эксплуатационных характеристик с учетом коэффициентов их значимости. При этом обычно используют 100-балльную систему оценки (таблица 7.3.). Для объ
ективной оценки качества каждой модели шины проводят серию испытаний по каждой из ее эксплуатационных характеристик, представляющие собой весьма трудоемкие и дорогостоящие программы. Заманчиво применение единого комплексного показателя, характеризующего технический уровень шины.
Уникальная чувствительность величины сопротивления качению шины к ее конструктивным особенностям, свойствам использованных материалов, к уровню качества изготовления (однородности и наличия скрытых внутренних дефектов), а также к условиям эксплуатации, делает этот показатель привлекательным для его использования в качестве комплексной оценки и нормирования в будущем технического уровня новой шины. Европейский союз, как заявлено в Директиве и некоторые другие государства рассматривают возможность введения норм на сопротивление качению шин. Кроме того, улучшение международного сотрудничества увеличивает потребность обмена опытом по вопросу о сопротивлении качению шин (неофициальный Документ GRRF-56-24). Сторонники такого подхода ведут исследования с целью усовершенствования или разработки новых методов оценки коэффициента сопротивления качению шин, способных более полно и адекватно отразить многообразие режимов качения и нагружения шины в процессе испытаний и обработки их результатов.
же каждая шинная компания находит свой компромисс между уровнем сопротивления качения шины и другими ее потребительскими и прочностными характеристиками. Шина, превосходящая другие по показателю потерь на качение, может оказаться не лучшей по другим характеристикам и в целом уступать по комплексу эксплуатационных показателей. Из таблицы 7.3, приведенной из американского журналаConsumer Report, который регулярно тестирует шины, популярные на потребительском рынке, можно почерпнуть сведения о характеристиках ряда шин. Как видно из таблицы, в первой пятерке лучших по всему комплексу свойств только шина Michelin (2-е место) имеет отличные результаты по сопротивлению качению. А шины фирмы Sumitomo — тоже великолепные по этому показателю — в целом признаны экспертами журнала худшими из представленных моделей из-за плохих характеристик сцепления на заснеженной дороге и торможения на льду.
Фирма Continental возражает против возможного введения требований Европейского союза по сопротивлению качению. Глава правления фирмы в Ганновере Манфред Веннемер считает, что эксплуатационные характеристики шины должны быть хорошо сбалансированы, а введение норм на сопротивление качению приведет к ухудшению других характеристик. Компания аргументирует свою позицию приведенной иллюстрацией (рис. 7. 39). При торможении со скорости 100 км/ч на мокрой дороге тормозной путь автомобиля на шинах с хо

Таблица 7.3



рошо сбалансированными свойствами составил 72 м. В то же время автомобилю на шинах, конструкция которых сфокусирована на снижении сопротивления качению, потребовалось до полной остановки 80 м, а через 72 метра торможения его скорость еще составляла около 35 км/ч [25].
С другой стороны, достижения фирмы Michelin демонстрируют высокий уровень свойств практически во всем спектре эксплуатационных показателей. Специальная научно-исследовательская программа фирмы Michelin призвана в течение следующих лет снизить по
тери на качение в шинах на 50%, что позволит на 10% сократить расход топлива автомобилем без потери качества по другим параметрам[25].
Возможно, точку в этом споре сможет поставить лаборатория которая получила недавно от правительства штата Калифорния 400 млн долларов на разработку совокупного показателя экономичности
Европейский союз планирует ввести в качестве обязательного сопроводительного документа на шины специальный ярлык, из которого наглядно будет видно, как три потребительских качества — топливная экономичность, сцепление с мокрой дорогой и уровень шума — сочетаются в конкретной модели шины [10]. Проект такого ярлыка показан на рис. 7.40 [20]. Как видно из рисунка, уровень характеристик предполагается оценивать буквами — от А до G и цветом — от зеленого до красного. Обозначение А и зеленый цвет соответствуют лучшим показателям, тогда как G и красный цвет — худшим. Уровень шума предполагается указывать в децибелах и, в скобках, буквами, аналогично двум другим показателям, но без выделения цветом.

Рис. 7.40. Проект ярлыка на шины, предполагаемого к внедрению в странах - членах Европейского союза с октября 2012 года
Анализ современного уровня знаний шинных материалов и технологических процессов их производства показывает, что практически невозможно создание шины, все эксплуатационные показатели и потребительские свойства которой одновременно достигали бы наилучших значений. Кроме того, значения всех трех показателей, указываемых на ярлыке, зависят от многочисленных и подчас трудно учитываемых внешних условий и чувствительны к методам испытаний. Поэтому многие производители шин не поддерживают идею такого ярлыка [20], в то время как другие, напротив, уже сопровождают ими свои шины, рассматривая их как возможность дополнительной рекламы своей продукции. Если соответствующий законопроект будет своевременно одобрен всеми странами — членами ЕС, то уже к концу года ярлык, подобный приведенному на рис. 7.40, станет неотъемлемой частью документации на шины при их продаже и восстановлении


← Назад к списку новостей

|
Заказать звонок
CAPTCHA