Назначение и свойства автомобильных шин

16 февраля 2016 г.

Появление пневматических шин способствовало дальнейшему развитию автомобилизма и совершенствованию самих шин. При движении автомобиля шины сглаживают малые неровности дороги и предохраняют шасси от жестких ударов и сотрясений. Шины ведут автомобиль по дороге, при этом качество шин в значительной степени определяет устойчивость автомобиля при движении. От хороших шин требуется, чтобы они как можно лучше сглаживали большие неровности дороги, хорошо передавали силу тяги от колеса к поверхности дороги при любых дорожных условиях и обеспечивали бы достаточную боковую жесткость для нормальной управляемости автомобиля.

Под действием радиальных нагрузок шина сжимается и работает как пневматический амортизатор. В данном случае на жесткость шины влияет объем, давление воздуха в ней и площадь контакта с дорогой. Площадь контакта можно приблизительно рассчитать из отношения нагрузки на шину к давлению воздуха внутри ее. Такой расчет приемлем для легких шин с малым числом слоев корда в боковинах, предназначенных для легковых автомобилей. В шинах, предназначенных для грузовых автомобилей, тракторов, жесткие борта имеют гораздо большее число слоев корда, такой расчет дает грубые ошибки. Если давление в шине невелико, то она под действием нагрузки сжимается настолько, что площадь соприкосновения шины с дорогой так увеличивается, что удельное давление в ней уравновешивается внешним давлением на шину.

При низком давлении в шинах автомобиль лучше подрессорен, однако большое их сжатие приводит к увеличению потерь на преодоление внутреннего трения в бортах шин и к их интенсивному нагреванию. Кроме того, слабонакачанные шины теряют сцепление с дорогой в поперечном направлении, в результате чего управляемость автомобиля резко ухудшается.

Если приложить к шине осевую нагрузку, то ее упругость проявляется смещением участков поверхности протектора по отношению к ступице колеса на величину х (см. рисунок 1).

Рис. 1. Схема действия сил в автомобильных шинах

Под действием боковой силы в точке контакта шины с землей возникает сила реакции опоры F, которая смещает шину на величину х. При качении шина движется по направлению стрелки S под углом а относительно плоскости колеса.

В плане (на рисунке 1, а) это показано изгибом центральных волокон протектора (изображено штриховой линией) на величину х. При качении колеса, нагруженного осевой силой, любая произвольная точка на центральной линии протектора остается в плоскости колеса до тех пор, пока она не соприкоснется с поверхностью дороги (положение 1 на рисунке 1, г). При дальнейшем качении колеса эта точка начинает отклоняться от вертикальной плоскости обода, и в положении 2 это отклонение составит величину х. На рисунке 1, б показано отклонение центральной линии протектора у неподвижной шины на величину х. На рисунке 1, б показано сечение шины через точку 1, а на рисунке 1, в — через точку 2. При дальнейшем качении колеса в положении 3 отклонение центральной точки протектора продолжает увеличиваться до максимальной величины у. Как только эта точка выйдет из соприкосновения с поверхностью дороги, она снова возвратиться в вертикальную плоскость колеса, т. е. в положение 4. Итак, при перекатывании колеса из положения 1 в положение 3 оно переместится вбок относительно направления движения автомобиля на величину у. Колесо при качении будет перемещаться не строго в направлении вертикальной плоскости колеса, а в направлении S под углом a к плоскости колеса; такое перемещение называется боковым уводом колеса.

Если на шину воздействует боковая сила, то автомобиль будет двигаться не в направлении вращения колес, а в направлении бокового увода, т. е. под углом а к требуемому направлению движения. Это имеет место, например, при прохождении поворота на участках дороги, имеющих поперечный уклон, или при сильном боковом ветре. В последнее время описываемые свойства шин тщательно изучают, в результате чего уже достигнут прогресс в области совершенствования шин. Свойства шин исследуют на специальных стендах, один из которых показан на рисунке 2.

Рис. 2. Испытательный стенд для измерения увода шины автомобиля и боковых сил

В процессе испытания шина катится по металлическому цилиндру, к которому ее прижимает с определенным усилием специальное приспособление; при этом предусмотрена возможность отклонения вертикальной плоскости шины от плоскости вращения цилиндра. В результате отклонения возникает боковая сила, которую и измеряют. Величина боковой силы в зависимости от нагрузки, приложенной к шине при различных углах наклона шины, приведена на диаграмме (рисунок 3), которая затем анализируется с целью оценки ездовых качеств автомобиля с исследуемыми шинами.

Рис. 3. Зависимость бокового увода шины от нагрузки и величины
боковой силы

Шина 6,00-16, четыре слоя корда, рисунок протектора 4,50E.

Шины приводятся во вращение от электродвигателя с регулируемой частотой вращения вала, что позволяет одновременно измерять потребляемую мощность и силы сопротивления качению при различных боковых отклонениях шины. Указанные силы сопротивления приведены на рисунке 4 в виде потерь мощности.

Рис. 4. Зависимость расходуемой мощности от нагрузки и бокового увода шины

Боковой увод, как уже было сказано, зависит от угла наклона колеса. На рисунке 5 штрихами показана деформация протектора шины в зоне контакта с дорогой под действием боковой силы.

Рис. 5. Зона контакта шины автомобиля с землей при осевой нагрузке

F — направление действия силы реакции опоры в зоне контакта.

При наклоне колеса против действия силы поведение протектора на дороге более благоприятно, как видно из рисунке 6.

Рис. 6. Зона контакта наклоненной шины с землей при наличии боковой нагрузки

F — направление действия силы реакции опоры в зоне контакта.

В этом случае колесо способно переносить большую боковую нагрузку при тех же величинах бокового увода, как видно из кривых на рисунке 7.

Рис. 7. Зависимость бокового увода шины от угла ее наклона

Это свойство шин стремятся использовать для улучшения бокового сцепления при прохождении поворотов.

При воздействии боковой силы наружные колеса к повороту нагружаются больше, поэтому колеса на автомобиле устанавливают с некоторым развалом. Боковой увод зависит еще от таких факторов, как давление воздуха в шине, величина радиального нагружения, направление укладки нитей корда в бортах шин, рецептура резины, рисунок протектора, тип и влажность дорожного покрытия и т. д. Для компенсации каждого из перечисленных факторов можно подобрать оптимальный тип шины. Универсальных шин, пригодных для всех возможных случаев эксплуатации, пока еще не существует. Например, для шин гоночного автомобиля наиболее важным свойством является сцепление, «прилипание» шины к поверхности дороги.

Для езды по мокрой и сухой дороге в принципе требуются различные шины. Протектор шин, предназначенных для мокрой дороги, должен иметь многочисленные выступы, между которыми отводится вода, выжатая давлением шины. Эта вода должна отводиться вбок. Если шина гладкая, без рисунка, под нею образуется слой воды, в результате чего может наступить режим жидкостной смазки между поверхностями шины и дороги, аналогично тому, как это происходит в подшипнике. Шина теряет боковое сцепление, наступает пробуксовка и проскальзывание шины вбок. Когда слой воды на дороге очень велик, это может произойти и у шины с правильно подобранным рисунком протектора. Нередко происходят тяжелые аварии, вызванные возникновением эффекта аквапланирования (aquaplaning — всплывание, англ.) — потерей управляемости автомобиля на залитой водой поверхности дороги.

Многое зависит также и от материала, из которого изготовлена шина. Зависимость коэффициента сцепления от скорости движения автомобиля, толщины слоя воды на дороге и материала шины приведена на рисунке 8.

Рис. 8. Зависимость силы сцепления от скорости и толщины слоя воды

а — новая шина; б — шина без рисунка протектора.

При движении по сухой дороге характерны другие закономерности. Величина силы, которую можно передать от шины к поверхности дороги, в значительной степени зависит от площади контакта и твердости резины. Поэтому шины гоночных автомобилей делают гораздо шире обычных. Они больше напоминают цилиндры, чем привычные по форме дискообразные пневматические шины. Для сохранения цилиндрической формы шины при различных нагрузках и условиях эксплуатации потребовалось изменить способ укладки нитей корда. Часть шины под протектором армируется несколькими слоями резины и нитями, расположенными по периферии. В бортах шины нити корда располагаются радиально, причем таких слоев всего два. Все это способствует сохранению цилиндрической формы шины даже при малом давлении в ней. По направлению укладки нитей корда шины были названы радиальными; они отличались очень хорошим эксплуатационными свойствами, что способствовало их широкому применению. Наглядно показана укладка корда у шин на рисунке 9.

Рис. 9. Способ укладки слоев корда в шинах

а — диагональные шины; б — радиальная шина с добавочными слоями под протектором;
в — диагональная шина с добавочными слоями под протектором.

Радиальные шины с более тонкими бортами имеют меньшие потерн на внутреннее трение, меньше разогреваются при эксплуатации, автомобиль меньше расходует топлива. Этим шинам свойственна также малая величина бокового увода под действием боковых сил и автомобиль устойчив на повороте. Под действием боковой силы весь цилиндрический протектор смещается в сторону, но остается в надежном контакте с поверхностью дороги. Это хорошо видно на рисунке 10, где показано сравнение диагональных шин с радиальными.

Рис. 10. При воздействии боковой силы радиальная шина соприкасается с землей всей поверхностью протектора

Для сравнения в правой части рисунка показана меньшая площадь соприкосновения диагональной шины с землей при прохождении поворота.

Отношение высоты профиля шины к его ширине обычно бывает небольшим. Единственным недостатком радиальных шин является то, что они более интенсивно передают шум в салон автомобиля, особенно при движении по дороге, мощенной камнем.

Еще об устройстве, ремонте, обслуживании и эксплуатации автомототехники

Поделитесь этой страницей в соц. сетях или добавьте в закладки:

Другие материалы об автомобильных шинах на сайте:
	Всесезонные шины — преимущества и недостатки
	Камерные и бескамерные шины. Преимущества бескамерных шин
	Приспособление для разбортовки колеса своими руками