7.1. Сопротивление качению Пневматическая шина благодаряналичию в ней сжатого воздуха иупругих свойств резины способна во время деформации поглощатьбольшое 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 вконтакте шины с дорогой. Эти потери энергии называются «потерямина качение шины» или «сопротивлением качению шиныКромеэтого, движущееся колесо испытывает сопротивление, обусловленное трением в подшипниках (обычно незначительное) и сопротивле ние воздуха движению автомобиля (небольшое при низких скоростяхдвижения и возрастающее при его увеличении в квадратной степени).Суммарный эффект этих явлений называют «сопротивление движению» или «силой сопротивления движению», которую необходимоприложить к автомобилю для поддержания движения, маневрирования, ускорения и торможения. В условиях установившегося равномерного движения сила сопротивления движению равна приложенной кцентру колеса толкающей силе или тяговой силе крутящего моментаот 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 используютбезразмерный коэффициент сопротивления качению f, определяемыйследующим образом:где:— сила сопротивления движению;— вертикальная нагрузка, приходящаяся на колесо.Основная доля энергии, затрачиваемая на качение шины, определяется гистерезисными потерями, которые зависят от свойств шинныхматериалов и режимов их нагрузки. Явление гистерезиса традиционноиллюстрируется графиком процессадеформации упругого элемента и еговосстановления после снятия нагрузки На графике показано, чтовосстановление элемента происходитмедленнее, чем его деформирование.Это происходит вследствие наличиявнутреннего трения в материале, поглощающего часть энергии деформации, пропорционально закрашенной желтым цветом зоне. КоличествоЯвление гистерезиса поглощаемой на внутреннее трениеэнергии является неотъемлемой хаРис. 7,1. График деформацииупругого элемента под воз-рактеристикой любого материала. Придействием силы Af (линиякачении колеса каждое сечение шиныи его восстановленияпретерпевает циклическое нагружениепосле снятия нагрузки (линия «в-г») при входе и выходе из контакта с доПри скорости автомобиля 100 км/ч и более резко возрастает лобовое сопротивление воздуха, увеличивается расход топлива. рогой. Энергия, возвращаемая при разгрузке шины, меньше энергии,затраченной на ее деформирование. Для поддержания равномерногокачения колеса потери энергии пополняют приложением к его оси соответствующей толкающей силы, или крутящего момента. Чем вышегистерезисные потери в шине, тем больше коэффициент сопротивления качению. Гистерезисные потери составляют 90—95% общих потерь на сопротивление качению шины ведомого и 60—80% — ведущегоколеса. Остальная часть энергии, поглощаемая шиной, расходуется натрение 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 гистерезисныхсвойств резины (упругости) без снижения уровня других ее характеристик основано на фундаментальных исследованиях в области химииматериалов. Последний такой прорыв связан с применением кремнезем/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 материаловпри качении и объем деформируемых материалов также существенноснижают потери на качение (см. параграфы 6.2, 6.3).Гистерезисные потери энергии в результате внутреннего трения вшине преобразуются в тепло. Максимальное теплообразование наблюдается в наиболее массивной части шины — в ее протектере и брекере 7.2). Как видно из рисунка, они являются одними из самыхэнергоемких среди другихэлементов ее конструкции.При качении протектор подвергается деформированию иистиранию о дорожную поверхность. Как отмечалось,резины не могут обеспечитьнизкие потери на качение иодновременно высокое сцепление с дорогой истойкость. То же относится ик конструкции шины, у которой снижение высоты рисунка протектора уменьшаетРис. 7.2. Температурные поля по профилюшины и доли потери на качение в элементах конструкции легковой ЦМК коэффициент сопротивления качению, но и одновременно снижаетресурс шины. Фактически рецептура резины и конструкция протектора — это всегда компромисс между требованиями по безопасности,надежности, экономичности и долговечности.Один из путейсниженияпотерь — двухслойныйпротектор7.3).Нижняя часть протектора, подканавка, не находящаяся в контакте сдорогой, изготавливается из низкогистерезисной резины, а верхняя,включающая рисунок протектора, — из резины, обладающей хорошими износостойкостью и сцеплением. Такая конструкция позволяетснизить 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).рис.показанавзаимосвязь этих факторов. Эксплуатация шин на высокой скорости спониженным давлением существенно увеличивает потери на качение,расход топлива, теплообразование в шине.При долгом безостановочном движении автомобиля по трассам сусовершенствованным покрытием шина нагревается до стабильногоравновесного состояния, гистерезисные потери в резине сокращаются вследствие уменьшения межмолекулярного трения, снижаетсякоэффициент сопротивления качению(рис. 7.5). Одновременно приповышении температуры шины в ней возрастает внутреннее давлениеи уменьшаются ее деформации, что также способствует уменьшениюпотерь. Через 1,5—2 часа равномерного движения температурный баланс и соответственно потери на качение стабилизируются. При этом7. 3.Двухслойный протектор:1 - брекер;2 - двухслойный протектор;3 - беговая часть протектора;4 -подканавочный слой;5 - каркас Скорость, км/ч7.4. Потери на качение в легковой шине (например,в зависимости от скорости автомобиля принормальном давлении воздуха (0,25 МПа) и пониженномдавлении воздуха (0,15температура, расход топлива, обусловленный шинами, и сопротивление качениюкоэффициент сопротивления качению снижается примерно на 20% посравнению с холодной шиной.Снижение потерь наблюдается и при увеличении температурыокружающей среды. В среднем повышение температуры окружающеговоздуха на 1 °С приводит к уменьшению коэффициента сопротивления качению на1%. 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 возрастаетпо сравнению с сухой, так каквода охлаждает шину, снижает трение в контакте, а частьэнергии затрачивается на выдавливание воды из зоны контакта. При качении по грунтовым дорогам часть энергиидвижения тратится на пластическое деформирование грунта и создание колеи. Поэтомупотери на качение по дорогамс твердым покрытием ниже. Рис. 7.5. Влияние температуры шины на коэффициент сопротивления качению Рис. 7.6. Влияние дорожного покрытия на сопротивление качениюШероховатость твердого покрытия дороги также имеет значение, таккак 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 температурарис. 7.4). Начиная с определенного значения скорости, частота деформаций элементов шины совпадаетс их собственной частотой колебаний, резко возрастает температурашины и достигает критического значения, при которой шина быстроразрушается. Высокая температура — смерть шины. Для современныхшин это околоЧем выше критическая скорость, при которой достигаются эти условия, тем лучше шина приспособлена для работы навысокоскоростных автомобилях. Критическая скорость повышается суменьшением 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).всех случаях максимально допустимая скорость шины должнаыть меньше критической наПоказатель максимальной скорости шины (индекс категории скорости) подразумевает ту скорость, при малейшем превышении которойшина может начать разрушаться. Скоростная категория шины служитсвоеобразным индикатором запаса прочности и надежности шины. Для а бРис.Зависимость критической скорости легковой шины от внутреннего давлениявоздуха в ней (а) и массы ее беговой части (б)Рис. 7.8. Разрушение шины при критическихусловиях теплообразования (превышение максимально допустимой скорости,пониженное давление воздуха вперегрузка)обозначения категории скорости используются индексы — латинскиебуквы отдо Z (рис.Приложение 3).Максимально допустимые эксплуатационные скорости шин устанавливаются для определенных нормативных величин их деформации, которые в свою очередь определяются нагрузкой на шину и еевнутренним давлением.Если по каким-либо причинам нагрузка на автомобиль превышаетнормативную (см. параграф 7.3), то индекс скорости должен быть снижен. Обычно рекомендуется снижать индекс максимальной скоростина столько ступеней, на сколько превышен нормативный индекс нагрузки, или руководствоваться специальными рекомендациями изготовителя. Это правило особенно важно соблюдать для шин грузовыхавтомобилей, перевозящих тяжелые неделимые грузы. Скорость, км/чРис. 7. 9. Индексы категории скорости шин и соответствующие им максимально допустимые эксплуатационныескорости7.3. Грузоподъемность шины Грузоподъемность шины (максимальная допустимая статическаявертикальная нагрузка на шину) характеризует способность шины втечение всего срока ее ресурса выдерживать вес груженого транспортного средства при соблюдении правил эксплуатации шины. Грузоподъемность зависит главным образом от габаритов шины, внутреннегодавления, числа слоев корда и его типа, а также от эксплуатационныхусловий. Для каждой шины и условий эксплуатации устанавливаютоптимальные 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 потерина качение, температура шины и сокращается срок ее службы. Например, по данным фирмы Michelin, при увеличении нагрузки грузовойшины на 20% выше нормы срок ее службы снижается в среднем на30%, а при увеличении на 40 % — вдвое (рис. 7.10). Эксплуатация шиныс перегрузкой нередко приводит к разрушению каркаса (рис.Г).Грузоподъемность шин в разных странах может измеряться в разных системах, например, в килограммах — в Европе или в фунтах — вСеверной Америке. Чтобы избежать путаницы, для обозначения грузоподъемности принято использовать индекс несущей способности(грузоподъемности). В качестве индексов приняты безразмерныецифры, каждая из которых соответствует определенной нагрузке (рис.Приложение 10.2). %Рис. 7.11. Разрыв боковины шиныиз-за езды с перегрузкой(100 % = нормальная нагрузка)Рис. 7.10. Снижение долговечности грузовойшины при ее эксплуатации с перегрузкой Грузоподъемность шин также может обозначаться показателем «норма слойности» — НС или PR — на зарубежных шинах. Это условная величина, показывающая, какому числу слоев каркаса из текстильногокорда эквивалентна прочность каркаса данной модели шины. Например, — для грузовых или 4PR — для шин легковых автомобилей.Индекс несущей способности7.12. Индексы несущей способности LI (грузоподъемности) шины Это устаревший показатель, но он еще часто используется и бывает удобен, если несколько шин одного и того же размера способны выдержатьразные 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 воздухаприводит к ухудшению указанных функций шины.Снижение давления в шине увеличивает амплитудуее деформаций истепень проскальзывания выступов рисунка протектора по дорожномупокрытию, повышает потери на качениеи, соответственно,теплообразование, что приводит к ускоренному усталостному разрушению Отклонение величины внутреннего давления от нормы приводит кдеформации профиля шины, неравномерному ее износу. При давлении ниже нормы наблюдается повышенный износ рисунка протектора по углам беговой дорожки (рис.и снижение срока службышин. Снижение давления в легковой шине на 50 кПа сокращает срокее службы вдвое. При давлении на 20% ниже нормы срок службы легковой шины сокращается в среднем на 30%, грузовой — примерно на7.15).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 поулучшению плавности хода. При длительном движении даже при сравдавление, кПаРис. Зависимость потерь на качение шиныот давления воздуха в а б вРис. 7.14. Деформация профиля шины и износ при различном давлении в ней:а -равномерный износ протектора при нормальном давлении;неравномерный боковой износ по плечам протектора при пониженном давлении;в -неравномерный износ по центру протектора при повышенном давлениинительно небольшом снижении давления увеличивается деформацияи температура боковых стенок шины, что приводит к кольцевому излому каркаса. Внешний признак кольцевого излома — темная полосана внутренней поверхности шины по всей ее окружности (рис. 7.16).Эта полоса свидетельствует о начале разрушения каркаса. Дальнейшаяэксплуатация 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 удельногосокращает срок службы шины(рис. 7.15). Ухудшаются амортизационные свойства шины, плавностьхода автомобиля и комфортабельность езды. Возрастающие напряжения в элементах шины увеличиваютопасность разрыва ее каркаса и брекера при наезде на препятствия, особенно с большой скоростью, и могутстать причиной крестообразногоразрыва каркаса (рис. 7.17).Давление воздуха в шине должно соответствовать рекомендациямзавода-изготовителя автомобиля,но не выше предельно допустимого,службы грузовойдавления в контакте с дорожным покрытием в этой зоне (рис.Рис. Влияние давления на срок абРис. 7.16. Кольцевой излом каркаса шины: темная полоса (а) и «морщины» (б) наверхности герметизирующего слоя езды с пониженным давлением воздуха в шине или езде с перегрузкойРис. 7.17. Крестообразный разрыв каркаса шины из-за наезда ее на препятствиес большой скоростью при повышенном давлении воздуха.Вид снаружи (вверху) и по внутренней поверхности (внизу)указанного на боковине шины. Предельно допустимое давление, соответствующее предельно допустимой нагрузке, гравируется на обеихбоковинах шин в американской системе единиц — в фунтах на квадратный дюйм (PSI), в международной системе СИ — в мегапаскалях(МПа) или килопаскаляха также в устаревшей, но часто используемой «европейской системе» — в кгс на квадратный сантиметр (кгс/см2). Между этими размерностями существует следующее соотношение: 1 PSI = 0,0069МПа = 7= 0,07 кгс/см2.Большинство современных шин имеют обозначения максимальнодопустимого 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 увеличениедавления в пределах 10 кПа (0,1 кгс/см2) выше нормы для шин легковых автомобилей и 20 кПа (0,2 кгс/см2) — для грузовых. Для зимнихшин 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 нейпостепенно понижается из-за диффузии воздуха через стенки камерили 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 звукупри ударе, т.к. при этом даже опытный водитель может ошибиться на20-30%. Контроль давления должен производиться шинным манометром регулярно с интервалом не более 14 дней. Следует пользоватьсятолько проверенными манометрами с ценой деления не болеекПакгс/см2) и шкалой от 0 до 500 кПа (от 0 до 5 кгс/см2) для легковыхшин, шкалой от 0 до 1(от 0 до 10 кгс/см2) для легкогрузовых ишкалой 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 факторовбезопасности дорожного движения. Движение автомобиля возможноблагодаря 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 нагрузкапродольная силаи/или крутящиймомент М , обеспечивающие поддержание прямолинейного движения с линейной скоростью V и вызывающие реакции дорогии(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, равныесиле сопротивления качению (см. параграф 7.1). Равнодействующая Свободное качение Ведущий режим Тормозной режимколеса качения каченияРис. 7.18. Силы и моменты в плоскости качения колеса: скорость и направление движения; Рх и Pz - продольная и вертикальная крутящий момент; Rx и Rz - продольная и вертикальная реакции дорогикасательная реакция опорной поверхности на ведущее колесо направлена в сторону движения и является той внешней силой, котораясообщает поступательное движение автомобилю. Тормозящую силукасательной 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, однаково всех случаях касательныереакции опорной поверхности направлены в сторону,противоположную направлению продольных сил приложенных к колесу. Если продольная сила сравниваетсяс максимально возможной вданных условиях опорной реакцией max (силой трениято колесо теряет сцеплениес дорогой.Продольная сила во всехслучаях должна быть меньшемаксимально возможной этихусловиях касательной опорнойреакции дорожного покрытияmax, называемой силой трения F. Таким образом, условиеРис. 7.19.Движение колесаприповороте налево 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 маневрировании7.19),а также из-за поперечных уклонов дорожного покрытия, установкиколес 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, определяемойободом, на угол 8, называемый углом бокового увода. При этом шинадеформируется до определенного предела, а затем начинает частичнопроскальзывать 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. Нарис. 7.20 показано, как меняется соотношение между зонами сцепления и проскальзывания в контакте шины с дорогой в зависимости отвеличины угла бокового увода. Увеличение угла бокового увода увеличивает зону скольжения и может привести к потере сцепления колесас дорогой.Современные низкопрофильные шины с увеличенной жесткостьюбоковых стенок и пятном контакта отличаются повышенным сцеплением с дорогой, существенно улучшают устойчивость и управляемостьавтомобиля (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 вконтакте может стать выше силы сцепления шины с дорогой, колесоРис. 7.20. Распределение зон сцепления и скольжения в пятне контакта шины с дорогой в зависимости от угла бокового увода 8 потеряет связь с дорогой, даже если каждая из слагаемых меньше силысцепления шины с дорогой.В главе 2 (см. рис. 2.1) наглядно показано сложение продольной ибоковой сил в виде силовой диаграммы, называемой «круги Камма».Силу сцепления шины с дорогой принято оценивать коэффициентом равным отношению максимально возможной касательной реакции в зоне контакта(или силой трения) к нормальной реакцииили нагрузкедействующей на колесо:Сцепные свойства шины определяются коэффициентами продольного и бокового сцепления. В первом случае максимальная реакциявызывается тяговым или тормозным усилием, развиваемым буксующим ведущим или скользящим тормозным колесом. Во втором случаемаксимальная реакция вызывается боковой силой, возникающей вконтакте с дорогой скользящего в боковом направлении колеса.Между приведенной выше и «классической» формулой трения имеется определенная аналогия. Однако в классической формуле коэффициент трения — относительно постоянное физическое свойство парыматериалов, находящихся в контакте, например резина — асфальт илирезина — сухой лед. А коэффициент сцепления шины с дорогой может колебаться в широких пределах от 0,05 до 1 в зависимости от типаи состояния дорожного покрытия, материала и конструкции шины,а также от динамических условий качения колеса и других факторов,определяющих соотношение действующих в контакте сил. Требованияпо безопасности движения обеспечиваются при значениине ниже0,4-0,6.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 конструкцииВнешние факторы — это погодные условия, естественные и технологические уклоны дорожного покрытия, крутизна поворотов дороги, скорость их прохождения, неисправности подвески автомобилей,состояние дисков и тормозов, степеньтранспортногосредства, равномерность и симметричность распределения нагрузки имногие другие.Среди внешних факторов определяющее значение имеет состояниедорожного покрытия. Сцепление значительно снижается на мокрой иобледеневшей дороге, коэффициент сцепления с мокрым покрытиемв полтора раза меньше, чем с сухим, а с обледенелым — на порядокниже. При этом значительно удлиняется тормозной путь автомобиля. Таблица 7.2В таблице 7.2 показан пример изменения тормозного пути автомобиля в зависимости от состояния дорожного покрытия, тормозной путьлегкового автомобиля с начальной скоростью 80 км/ч увеличился с28 м — на сухой дороге до 252 м — на обледенелой. А на влажном льдуэти показатели вдвое хуже. К этому можно добавить, что слой грязии пыли на сухой дороге может действовать как смазка, ухудшающаясцепление.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, стремясьв зоне контакта принять форму более твердой дорожной поверхности. При этом происходят деформации материалов шины, которые вплощади контакта сопровождаются местными проскальзываниямиэлементов рисунка протектора относительно дороги. Проскальзывание измеряется разностью между скоростью автомобиля и линейнойскоростью вращения колеса. Степень проскальзывания заметно влияет на коэффициент сцепления шины с дорогой. На рис. 7.21 показаноизменение коэффициента сцепления в зависимости от степени суммарного продольного и бокового проскальзывания шины исостояния дорожного покрытия. На графике нулевая точкасоответствует перекатываниюпротектора по дорожному покрытию (как гусеница); уровеньпроскальзывания 100% соответствует полной блокировке колесРис.Изменение коэффициентасцепления от степени проскальзывания на разныхдорожных покрытиях:1 - сухая дорога;2 - мокрая дорога;3 -рыхлый снег;4 - гладкий лед 70(юзу). Максимальное значение коэффициента сцепления при прочихравных условиях достигается при проскальзывании в диапазоне отдо 30 % и зависит от состояния дорожного покрытия. Современныеэлектронные 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 обледенелойповерхности эти системы практически бесполезны.На влажной и мокрой поверхности коэффициент сцепления существенно снижается с ростом скорости7.22) [2]. Сцепление шиныс 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 контакташины 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 рисункаплощадь его выступов несколько больше.На мокрых дорогах сцепление определяется гидродинамическимисвойствами пленки воды между шиной и дорогой (рис.среднийи нижний графики) и способностью рисунка протектора выдавливатьи удалять жидкость из зоны контакта узкими прорезями, «впитывающими» влагу, и открытыми канавками, служащими для отвода водыРис. 7.22. Зависимость коэффициента сцепления с сухой и влажной дорогой от толщины водяной пленки на ее поверхности, скорости движения и износа рисункапротектора Рис. 7.23. Схема отвода воды с мокрой поверхности дорожного покрытия рисункомпротектора шины MichelinA2 при толщине водяной пленки — 1 мм:а - скорость движения легкового автомобиля < 50 км/ч, вода полностьюдавлена из пятна контакта; б - скорость движения ~ 90 км/ч, контакт выступов рисунка с дорожным полотном еще сохраняется, но углубления рисункауже полностью заполнены водойиз зоны контакта (см. параграф 4.7.1). При малой скорости движенияи тонкой водяной пленке на поверхности мокрой дороги вода почтиполностью выдавливается и отводится из плоскости контакта выступов рисунка протектора с полотном дороги (рис. 7.23,коэффициентсцепления не намного меньше, чем на сухой дороге (рис. 7.22, началосреднего графика).С увеличением толщины слоя воды и скорости движения резкорастет объем воды, подлежащей вытеснению, удаление ее из зоныконтакта затрудняется (рис. 7.23, б). Фирма Michelin назвала количество воды, необходимое для вытеснения при скорости 80 км/ч, — этоприблизительно 25 л/с. Не всякая шина способна поглотить такое количество воды! Отвод воды из зоны контакта протектора с дорожнымпокрытием 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 скоростипадение тем больше, чем больше износ рисунка протектора, так каксокращается объем углублений рисунка и, соответственно, их способность поглощать и отводить влагу. В примере, приведенном на нижнемграфике рис.толщине слоя воды 6 мм и остаточной глубинерисунка протектора 1,5 мм (немногим меньше допустимого пределамм) при скорости около 80 км/ч коэффициент сцепления снижается до 0 и возникает аквапланирование. 72а бвРис. 7.24. Схема «всплытия» колеса на мокрой дороге и изменение пятна контакта сдорогой шины (нагрузка на колесо 440 кг, давление воздуха в шине0,24толщина слоя воды на поверхности дороги 5 мм) по мере роста скорости: а -40 км/ч.;км/ч.; в -100 км/ч7.6.Аквапланирование — это состояние, когда из-за плохого отводаводы из зоны контакта шины с дорогой образуется пленка, по которой шина «плывет» подобно лодке, шина полностью теряет сцеплениес дорогой, ведущие колеса свободно вращаются, автомобиль не слушается руля. Аквапланирование возникает в результате комбинациитаких факторов, как скорость автомобиля, тип и остаточная высотарисунка протектора, уровень внутреннего давления в шине и количество воды на дороге.рисунке 7.24 [17] показана схема трех стадийдвижения шины по мокрой дороге с одинаковым слоем воды по мереувеличения скорости. В первом случае (а) при небольшой скоростидвижения шина справляется с удалением воды из зоны контакта, выступы рисунка протектора непосредственно соприкасаются с поверхностью дорожного полотна.По мере повышения скорости перед шиной образуется утолщениеводяной пленки — водяной клин, затем объем клина увеличивается,шина не успевает отводить всю воду, клин постепенно задвигается подшину, соприкасается с дорогой лишь часть выступов рисунка по плечам и на выходе в задней части пятна контакта. С возрастанием скоростиэтот контакт все больше и больше утрачивается. По достижении критической скорости водяной клин полностью задвигается под шину, колесо«всплывает», автомобиль не слушается руля. Возникает катастрофическая ситуация, похожая на танец на льду, поэтому аквапланированиеназывают также скольжением по воде. Фотографии пятна контакта сделаны снизу через стеклянную плиту, покрытую слоем воды толщиной 5мм при проезде по ней автомобиля с различными скоростями.рис.показан пример определения критической скорости постепени 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.Скорость движения, км/чРис. 7.25. Пример определения критической скорости переднего приводного колесас шиной 175/70R13 по изменению степени его скольженияРис. 7.26. Результаты испытаний на продольное аквапланирование современных моделей шин. Определение критической скорости, при которой возникает 15%ное проскальзывание колес Рис. 7.27.Падение уровня критической скорости,при которой возникает аквапланирование, по мере снижения давления воздухав шине (для шины номинальное давление 250 кПа)Рис. 7.28. Пониженное сцепление шины с дорогой при движении по снежно-водянойкаше (слашпленинг)Влияние глубины рисунка протектора шины навеличину критической скорости, при которой возникает аквапланирование приразной толщине водянойпленки, было показано нарис. 7.22.Величина критическойскорости аквапланирования зависит также отвнутреннего давления вшине. Скорость вхожденияшины в аквапланированиеуменьшается при снижении давления, так как приэтом снижается удельноедавление в пятне контакташины с дорогой, особеннопо центру беговой дорожки{см.7.14, б). В результате на мокрой дороге водяной клин легче задвигаетсяпод шину, значительно понижается уровень критической скорости, при которойшина всплывает (рис. 7.27).Особенно коварно поперечное аквапланирование при маневрировании намокрой дороге: под воздействием силы бокового увода(рис. 2.1,7.20) шины передней и задней осей внезапно теряютконтакт с дорогой, автомобиль заносит, он становится полностью неуправляемым. Наиболее тяжелые условия — гладкий тающий лед притемпературе около О °С, покрытый водяной пленкой, и слашпленинг(снежно-водянаярис. 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 наступленияявления аквапланирования. Поэтому независимо от квалификацииводителя для избежания явления аквапланирования, он должен соблюдать следующие правила: 7.7. Нормы допустимого Допустимый износ протектора реизноса протектора гламентируют размером остаточнойвысоты выступов рисунка протектора, по достижении которой шина должна сниматься с транспортногосредства.Остаточная высота рисунка протектора, ниже которой рисуноктеряет свои свойства и дальнейшая эксплуатация шины становитсяопасной, 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, дляшин мотоциклов и мопедов — 0,8 мм. Однако эти нормы обеспечиваютбезопасность лишь на сухой или слабо увлажненной дороге с твердымпокрытием. Для мокрого дорожного полотна они не приемлемы. Нарис.показан пример существенного увеличения тормозного путина влажной дороге по мере износа рисунка протектора. Тормозной 7.29. Тормозной путь легкового автомобиля при снижении скорости со 100до 60 км/ч на сухом и влажном дорожном покрытии в зависимостиот степени износа рисунка протекторапуть легкового автомобиля при снижении скорости содо 60 км/чв случае предельно допустимого износа протектора с остаточной высотой рисунка 1,6 мм достигает 80 м, т.е. в полтора раза больше, чем вслучае новых шин с не
7.1. Сопротивление качению Пневматическая шина благодаряналичию в ней сжатого воздуха иупругих свойств резины способна во время деформации поглощатьбольшое 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 вконтакте шины с дорогой. Эти потери энергии называются «потерямина качение шины» или «сопротивлением качению шиныКромеэтого, движущееся колесо испытывает сопротивление, обусловленное трением в подшипниках (обычно незначительное) и сопротивле ние воздуха движению автомобиля (небольшое при низких скоростяхдвижения и возрастающее при его увеличении в квадратной степени).Суммарный эффект этих явлений называют «сопротивление движению» или «силой сопротивления движению», которую необходимоприложить к автомобилю для поддержания движения, маневрирования, ускорения и торможения. В условиях установившегося равномерного движения сила сопротивления движению равна приложенной кцентру колеса толкающей силе или тяговой силе крутящего моментаот 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 используютбезразмерный коэффициент сопротивления качению f, определяемыйследующим образом:где:— сила сопротивления движению;— вертикальная нагрузка, приходящаяся на колесо.Основная доля энергии, затрачиваемая на качение шины, определяется гистерезисными потерями, которые зависят от свойств шинныхматериалов и режимов их нагрузки. Явление гистерезиса традиционноиллюстрируется графиком процессадеформации упругого элемента и еговосстановления после снятия нагрузки На графике показано, чтовосстановление элемента происходитмедленнее, чем его деформирование.Это происходит вследствие наличиявнутреннего трения в материале, поглощающего часть энергии деформации, пропорционально закрашенной желтым цветом зоне. КоличествоЯвление гистерезиса поглощаемой на внутреннее трениеэнергии является неотъемлемой хаРис. 7,1. График деформацииупругого элемента под воз-рактеристикой любого материала. Придействием силы Af (линиякачении колеса каждое сечение шиныи его восстановленияпретерпевает циклическое нагружениепосле снятия нагрузки (линия «в-г») при входе и выходе из контакта с доПри скорости автомобиля 100 км/ч и более резко возрастает лобовое сопротивление воздуха, увеличивается расход топлива. рогой. Энергия, возвращаемая при разгрузке шины, меньше энергии,затраченной на ее деформирование. Для поддержания равномерногокачения колеса потери энергии пополняют приложением к его оси соответствующей толкающей силы, или крутящего момента. Чем вышегистерезисные потери в шине, тем больше коэффициент сопротивления качению. Гистерезисные потери составляют 90—95% общих потерь на сопротивление качению шины ведомого и 60—80% — ведущегоколеса. Остальная часть энергии, поглощаемая шиной, расходуется натрение 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 гистерезисныхсвойств резины (упругости) без снижения уровня других ее характеристик основано на фундаментальных исследованиях в области химииматериалов. Последний такой прорыв связан с применением кремнезем/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 материаловпри качении и объем деформируемых материалов также существенноснижают потери на качение (см. параграфы 6.2, 6.3).Гистерезисные потери энергии в результате внутреннего трения вшине преобразуются в тепло. Максимальное теплообразование наблюдается в наиболее массивной части шины — в ее протектере и брекере 7.2). Как видно из рисунка, они являются одними из самыхэнергоемких среди другихэлементов ее конструкции.При качении протектор подвергается деформированию иистиранию о дорожную поверхность. Как отмечалось,резины не могут обеспечитьнизкие потери на качение иодновременно высокое сцепление с дорогой истойкость. То же относится ик конструкции шины, у которой снижение высоты рисунка протектора уменьшаетРис. 7.2. Температурные поля по профилюшины и доли потери на качение в элементах конструкции легковой ЦМК коэффициент сопротивления качению, но и одновременно снижаетресурс шины. Фактически рецептура резины и конструкция протектора — это всегда компромисс между требованиями по безопасности,надежности, экономичности и долговечности.Один из путейсниженияпотерь — двухслойныйпротектор7.3).Нижняя часть протектора, подканавка, не находящаяся в контакте сдорогой, изготавливается из низкогистерезисной резины, а верхняя,включающая рисунок протектора, — из резины, обладающей хорошими износостойкостью и сцеплением. Такая конструкция позволяетснизить 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).рис.показанавзаимосвязь этих факторов. Эксплуатация шин на высокой скорости спониженным давлением существенно увеличивает потери на качение,расход топлива, теплообразование в шине.При долгом безостановочном движении автомобиля по трассам сусовершенствованным покрытием шина нагревается до стабильногоравновесного состояния, гистерезисные потери в резине сокращаются вследствие уменьшения межмолекулярного трения, снижаетсякоэффициент сопротивления качению(рис. 7.5). Одновременно приповышении температуры шины в ней возрастает внутреннее давлениеи уменьшаются ее деформации, что также способствует уменьшениюпотерь. Через 1,5—2 часа равномерного движения температурный баланс и соответственно потери на качение стабилизируются. При этом7. 3.Двухслойный протектор:1 - брекер;2 - двухслойный протектор;3 - беговая часть протектора;4 -подканавочный слой;5 - каркас Скорость, км/ч7.4. Потери на качение в легковой шине (например,в зависимости от скорости автомобиля принормальном давлении воздуха (0,25 МПа) и пониженномдавлении воздуха (0,15температура, расход топлива, обусловленный шинами, и сопротивление качениюкоэффициент сопротивления качению снижается примерно на 20% посравнению с холодной шиной.Снижение потерь наблюдается и при увеличении температурыокружающей среды. В среднем повышение температуры окружающеговоздуха на 1 °С приводит к уменьшению коэффициента сопротивления качению на1%. 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 возрастаетпо сравнению с сухой, так каквода охлаждает шину, снижает трение в контакте, а частьэнергии затрачивается на выдавливание воды из зоны контакта. При качении по грунтовым дорогам часть энергиидвижения тратится на пластическое деформирование грунта и создание колеи. Поэтомупотери на качение по дорогамс твердым покрытием ниже. Рис. 7.5. Влияние температуры шины на коэффициент сопротивления качению Рис. 7.6. Влияние дорожного покрытия на сопротивление качениюШероховатость твердого покрытия дороги также имеет значение, таккак 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 температурарис. 7.4). Начиная с определенного значения скорости, частота деформаций элементов шины совпадаетс их собственной частотой колебаний, резко возрастает температурашины и достигает критического значения, при которой шина быстроразрушается. Высокая температура — смерть шины. Для современныхшин это околоЧем выше критическая скорость, при которой достигаются эти условия, тем лучше шина приспособлена для работы навысокоскоростных автомобилях. Критическая скорость повышается суменьшением 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).всех случаях максимально допустимая скорость шины должнаыть меньше критической наПоказатель максимальной скорости шины (индекс категории скорости) подразумевает ту скорость, при малейшем превышении которойшина может начать разрушаться. Скоростная категория шины служитсвоеобразным индикатором запаса прочности и надежности шины. Для а бРис.Зависимость критической скорости легковой шины от внутреннего давлениявоздуха в ней (а) и массы ее беговой части (б)Рис. 7.8. Разрушение шины при критическихусловиях теплообразования (превышение максимально допустимой скорости,пониженное давление воздуха вперегрузка)обозначения категории скорости используются индексы — латинскиебуквы отдо Z (рис.Приложение 3).Максимально допустимые эксплуатационные скорости шин устанавливаются для определенных нормативных величин их деформации, которые в свою очередь определяются нагрузкой на шину и еевнутренним давлением.Если по каким-либо причинам нагрузка на автомобиль превышаетнормативную (см. параграф 7.3), то индекс скорости должен быть снижен. Обычно рекомендуется снижать индекс максимальной скоростина столько ступеней, на сколько превышен нормативный индекс нагрузки, или руководствоваться специальными рекомендациями изготовителя. Это правило особенно важно соблюдать для шин грузовыхавтомобилей, перевозящих тяжелые неделимые грузы. Скорость, км/чРис. 7. 9. Индексы категории скорости шин и соответствующие им максимально допустимые эксплуатационныескорости7.3. Грузоподъемность шины Грузоподъемность шины (максимальная допустимая статическаявертикальная нагрузка на шину) характеризует способность шины втечение всего срока ее ресурса выдерживать вес груженого транспортного средства при соблюдении правил эксплуатации шины. Грузоподъемность зависит главным образом от габаритов шины, внутреннегодавления, числа слоев корда и его типа, а также от эксплуатационныхусловий. Для каждой шины и условий эксплуатации устанавливаютоптимальные 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 потерина качение, температура шины и сокращается срок ее службы. Например, по данным фирмы Michelin, при увеличении нагрузки грузовойшины на 20% выше нормы срок ее службы снижается в среднем на30%, а при увеличении на 40 % — вдвое (рис. 7.10). Эксплуатация шиныс перегрузкой нередко приводит к разрушению каркаса (рис.Г).Грузоподъемность шин в разных странах может измеряться в разных системах, например, в килограммах — в Европе или в фунтах — вСеверной Америке. Чтобы избежать путаницы, для обозначения грузоподъемности принято использовать индекс несущей способности(грузоподъемности). В качестве индексов приняты безразмерныецифры, каждая из которых соответствует определенной нагрузке (рис.Приложение 10.2). %Рис. 7.11. Разрыв боковины шиныиз-за езды с перегрузкой(100 % = нормальная нагрузка)Рис. 7.10. Снижение долговечности грузовойшины при ее эксплуатации с перегрузкой Грузоподъемность шин также может обозначаться показателем «норма слойности» — НС или PR — на зарубежных шинах. Это условная величина, показывающая, какому числу слоев каркаса из текстильногокорда эквивалентна прочность каркаса данной модели шины. Например, — для грузовых или 4PR — для шин легковых автомобилей.Индекс несущей способности7.12. Индексы несущей способности LI (грузоподъемности) шины Это устаревший показатель, но он еще часто используется и бывает удобен, если несколько шин одного и того же размера способны выдержатьразные 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 воздухаприводит к ухудшению указанных функций шины.Снижение давления в шине увеличивает амплитудуее деформаций истепень проскальзывания выступов рисунка протектора по дорожномупокрытию, повышает потери на качениеи, соответственно,теплообразование, что приводит к ускоренному усталостному разрушению Отклонение величины внутреннего давления от нормы приводит кдеформации профиля шины, неравномерному ее износу. При давлении ниже нормы наблюдается повышенный износ рисунка протектора по углам беговой дорожки (рис.и снижение срока службышин. Снижение давления в легковой шине на 50 кПа сокращает срокее службы вдвое. При давлении на 20% ниже нормы срок службы легковой шины сокращается в среднем на 30%, грузовой — примерно на7.15).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 поулучшению плавности хода. При длительном движении даже при сравдавление, кПаРис. Зависимость потерь на качение шиныот давления воздуха в а б вРис. 7.14. Деформация профиля шины и износ при различном давлении в ней:а -равномерный износ протектора при нормальном давлении;неравномерный боковой износ по плечам протектора при пониженном давлении;в -неравномерный износ по центру протектора при повышенном давлениинительно небольшом снижении давления увеличивается деформацияи температура боковых стенок шины, что приводит к кольцевому излому каркаса. Внешний признак кольцевого излома — темная полосана внутренней поверхности шины по всей ее окружности (рис. 7.16).Эта полоса свидетельствует о начале разрушения каркаса. Дальнейшаяэксплуатация 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 удельногосокращает срок службы шины(рис. 7.15). Ухудшаются амортизационные свойства шины, плавностьхода автомобиля и комфортабельность езды. Возрастающие напряжения в элементах шины увеличиваютопасность разрыва ее каркаса и брекера при наезде на препятствия, особенно с большой скоростью, и могутстать причиной крестообразногоразрыва каркаса (рис. 7.17).Давление воздуха в шине должно соответствовать рекомендациямзавода-изготовителя автомобиля,но не выше предельно допустимого,службы грузовойдавления в контакте с дорожным покрытием в этой зоне (рис.Рис. Влияние давления на срок абРис. 7.16. Кольцевой излом каркаса шины: темная полоса (а) и «морщины» (б) наверхности герметизирующего слоя езды с пониженным давлением воздуха в шине или езде с перегрузкойРис. 7.17. Крестообразный разрыв каркаса шины из-за наезда ее на препятствиес большой скоростью при повышенном давлении воздуха.Вид снаружи (вверху) и по внутренней поверхности (внизу)указанного на боковине шины. Предельно допустимое давление, соответствующее предельно допустимой нагрузке, гравируется на обеихбоковинах шин в американской системе единиц — в фунтах на квадратный дюйм (PSI), в международной системе СИ — в мегапаскалях(МПа) или килопаскаляха также в устаревшей, но часто используемой «европейской системе» — в кгс на квадратный сантиметр (кгс/см2). Между этими размерностями существует следующее соотношение: 1 PSI = 0,0069МПа = 7= 0,07 кгс/см2.Большинство современных шин имеют обозначения максимальнодопустимого 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 увеличениедавления в пределах 10 кПа (0,1 кгс/см2) выше нормы для шин легковых автомобилей и 20 кПа (0,2 кгс/см2) — для грузовых. Для зимнихшин 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 нейпостепенно понижается из-за диффузии воздуха через стенки камерили 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 звукупри ударе, т.к. при этом даже опытный водитель может ошибиться на20-30%. Контроль давления должен производиться шинным манометром регулярно с интервалом не более 14 дней. Следует пользоватьсятолько проверенными манометрами с ценой деления не болеекПакгс/см2) и шкалой от 0 до 500 кПа (от 0 до 5 кгс/см2) для легковыхшин, шкалой от 0 до 1(от 0 до 10 кгс/см2) для легкогрузовых ишкалой 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 факторовбезопасности дорожного движения. Движение автомобиля возможноблагодаря 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 нагрузкапродольная силаи/или крутящиймомент М , обеспечивающие поддержание прямолинейного движения с линейной скоростью V и вызывающие реакции дорогии(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, равныесиле сопротивления качению (см. параграф 7.1). Равнодействующая Свободное качение Ведущий режим Тормозной режимколеса качения каченияРис. 7.18. Силы и моменты в плоскости качения колеса: скорость и направление движения; Рх и Pz - продольная и вертикальная крутящий момент; Rx и Rz - продольная и вертикальная реакции дорогикасательная реакция опорной поверхности на ведущее колесо направлена в сторону движения и является той внешней силой, котораясообщает поступательное движение автомобилю. Тормозящую силукасательной 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, однаково всех случаях касательныереакции опорной поверхности направлены в сторону,противоположную направлению продольных сил приложенных к колесу. Если продольная сила сравниваетсяс максимально возможной вданных условиях опорной реакцией max (силой трениято колесо теряет сцеплениес дорогой.Продольная сила во всехслучаях должна быть меньшемаксимально возможной этихусловиях касательной опорнойреакции дорожного покрытияmax, называемой силой трения F. Таким образом, условиеРис. 7.19.Движение колесаприповороте налево 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 маневрировании7.19),а также из-за поперечных уклонов дорожного покрытия, установкиколес 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, определяемойободом, на угол 8, называемый углом бокового увода. При этом шинадеформируется до определенного предела, а затем начинает частичнопроскальзывать 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. Нарис. 7.20 показано, как меняется соотношение между зонами сцепления и проскальзывания в контакте шины с дорогой в зависимости отвеличины угла бокового увода. Увеличение угла бокового увода увеличивает зону скольжения и может привести к потере сцепления колесас дорогой.Современные низкопрофильные шины с увеличенной жесткостьюбоковых стенок и пятном контакта отличаются повышенным сцеплением с дорогой, существенно улучшают устойчивость и управляемостьавтомобиля (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 вконтакте может стать выше силы сцепления шины с дорогой, колесоРис. 7.20. Распределение зон сцепления и скольжения в пятне контакта шины с дорогой в зависимости от угла бокового увода 8 потеряет связь с дорогой, даже если каждая из слагаемых меньше силысцепления шины с дорогой.В главе 2 (см. рис. 2.1) наглядно показано сложение продольной ибоковой сил в виде силовой диаграммы, называемой «круги Камма».Силу сцепления шины с дорогой принято оценивать коэффициентом равным отношению максимально возможной касательной реакции в зоне контакта(или силой трения) к нормальной реакцииили нагрузкедействующей на колесо:Сцепные свойства шины определяются коэффициентами продольного и бокового сцепления. В первом случае максимальная реакциявызывается тяговым или тормозным усилием, развиваемым буксующим ведущим или скользящим тормозным колесом. Во втором случаемаксимальная реакция вызывается боковой силой, возникающей вконтакте с дорогой скользящего в боковом направлении колеса.Между приведенной выше и «классической» формулой трения имеется определенная аналогия. Однако в классической формуле коэффициент трения — относительно постоянное физическое свойство парыматериалов, находящихся в контакте, например резина — асфальт илирезина — сухой лед. А коэффициент сцепления шины с дорогой может колебаться в широких пределах от 0,05 до 1 в зависимости от типаи состояния дорожного покрытия, материала и конструкции шины,а также от динамических условий качения колеса и других факторов,определяющих соотношение действующих в контакте сил. Требованияпо безопасности движения обеспечиваются при значениине ниже0,4-0,6.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 конструкцииВнешние факторы — это погодные условия, естественные и технологические уклоны дорожного покрытия, крутизна поворотов дороги, скорость их прохождения, неисправности подвески автомобилей,состояние дисков и тормозов, степеньтранспортногосредства, равномерность и симметричность распределения нагрузки имногие другие.Среди внешних факторов определяющее значение имеет состояниедорожного покрытия. Сцепление значительно снижается на мокрой иобледеневшей дороге, коэффициент сцепления с мокрым покрытиемв полтора раза меньше, чем с сухим, а с обледенелым — на порядокниже. При этом значительно удлиняется тормозной путь автомобиля. Таблица 7.2В таблице 7.2 показан пример изменения тормозного пути автомобиля в зависимости от состояния дорожного покрытия, тормозной путьлегкового автомобиля с начальной скоростью 80 км/ч увеличился с28 м — на сухой дороге до 252 м — на обледенелой. А на влажном льдуэти показатели вдвое хуже. К этому можно добавить, что слой грязии пыли на сухой дороге может действовать как смазка, ухудшающаясцепление.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, стремясьв зоне контакта принять форму более твердой дорожной поверхности. При этом происходят деформации материалов шины, которые вплощади контакта сопровождаются местными проскальзываниямиэлементов рисунка протектора относительно дороги. Проскальзывание измеряется разностью между скоростью автомобиля и линейнойскоростью вращения колеса. Степень проскальзывания заметно влияет на коэффициент сцепления шины с дорогой. На рис. 7.21 показаноизменение коэффициента сцепления в зависимости от степени суммарного продольного и бокового проскальзывания шины исостояния дорожного покрытия. На графике нулевая точкасоответствует перекатываниюпротектора по дорожному покрытию (как гусеница); уровеньпроскальзывания 100% соответствует полной блокировке колесРис.Изменение коэффициентасцепления от степени проскальзывания на разныхдорожных покрытиях:1 - сухая дорога;2 - мокрая дорога;3 -рыхлый снег;4 - гладкий лед 70(юзу). Максимальное значение коэффициента сцепления при прочихравных условиях достигается при проскальзывании в диапазоне отдо 30 % и зависит от состояния дорожного покрытия. Современныеэлектронные 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 обледенелойповерхности эти системы практически бесполезны.На влажной и мокрой поверхности коэффициент сцепления существенно снижается с ростом скорости7.22) [2]. Сцепление шиныс 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 контакташины 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 рисункаплощадь его выступов несколько больше.На мокрых дорогах сцепление определяется гидродинамическимисвойствами пленки воды между шиной и дорогой (рис.среднийи нижний графики) и способностью рисунка протектора выдавливатьи удалять жидкость из зоны контакта узкими прорезями, «впитывающими» влагу, и открытыми канавками, служащими для отвода водыРис. 7.22. Зависимость коэффициента сцепления с сухой и влажной дорогой от толщины водяной пленки на ее поверхности, скорости движения и износа рисункапротектора Рис. 7.23. Схема отвода воды с мокрой поверхности дорожного покрытия рисункомпротектора шины MichelinA2 при толщине водяной пленки — 1 мм:а - скорость движения легкового автомобиля < 50 км/ч, вода полностьюдавлена из пятна контакта; б - скорость движения ~ 90 км/ч, контакт выступов рисунка с дорожным полотном еще сохраняется, но углубления рисункауже полностью заполнены водойиз зоны контакта (см. параграф 4.7.1). При малой скорости движенияи тонкой водяной пленке на поверхности мокрой дороги вода почтиполностью выдавливается и отводится из плоскости контакта выступов рисунка протектора с полотном дороги (рис. 7.23,коэффициентсцепления не намного меньше, чем на сухой дороге (рис. 7.22, началосреднего графика).С увеличением толщины слоя воды и скорости движения резкорастет объем воды, подлежащей вытеснению, удаление ее из зоныконтакта затрудняется (рис. 7.23, б). Фирма Michelin назвала количество воды, необходимое для вытеснения при скорости 80 км/ч, — этоприблизительно 25 л/с. Не всякая шина способна поглотить такое количество воды! Отвод воды из зоны контакта протектора с дорожнымпокрытием 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 скоростипадение тем больше, чем больше износ рисунка протектора, так каксокращается объем углублений рисунка и, соответственно, их способность поглощать и отводить влагу. В примере, приведенном на нижнемграфике рис.толщине слоя воды 6 мм и остаточной глубинерисунка протектора 1,5 мм (немногим меньше допустимого пределамм) при скорости около 80 км/ч коэффициент сцепления снижается до 0 и возникает аквапланирование. 72а бвРис. 7.24. Схема «всплытия» колеса на мокрой дороге и изменение пятна контакта сдорогой шины (нагрузка на колесо 440 кг, давление воздуха в шине0,24толщина слоя воды на поверхности дороги 5 мм) по мере роста скорости: а -40 км/ч.;км/ч.; в -100 км/ч7.6.Аквапланирование — это состояние, когда из-за плохого отводаводы из зоны контакта шины с дорогой образуется пленка, по которой шина «плывет» подобно лодке, шина полностью теряет сцеплениес дорогой, ведущие колеса свободно вращаются, автомобиль не слушается руля. Аквапланирование возникает в результате комбинациитаких факторов, как скорость автомобиля, тип и остаточная высотарисунка протектора, уровень внутреннего давления в шине и количество воды на дороге.рисунке 7.24 [17] показана схема трех стадийдвижения шины по мокрой дороге с одинаковым слоем воды по мереувеличения скорости. В первом случае (а) при небольшой скоростидвижения шина справляется с удалением воды из зоны контакта, выступы рисунка протектора непосредственно соприкасаются с поверхностью дорожного полотна.По мере повышения скорости перед шиной образуется утолщениеводяной пленки — водяной клин, затем объем клина увеличивается,шина не успевает отводить всю воду, клин постепенно задвигается подшину, соприкасается с дорогой лишь часть выступов рисунка по плечам и на выходе в задней части пятна контакта. С возрастанием скоростиэтот контакт все больше и больше утрачивается. По достижении критической скорости водяной клин полностью задвигается под шину, колесо«всплывает», автомобиль не слушается руля. Возникает катастрофическая ситуация, похожая на танец на льду, поэтому аквапланированиеназывают также скольжением по воде. Фотографии пятна контакта сделаны снизу через стеклянную плиту, покрытую слоем воды толщиной 5мм при проезде по ней автомобиля с различными скоростями.рис.показан пример определения критической скорости постепени 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.Скорость движения, км/чРис. 7.25. Пример определения критической скорости переднего приводного колесас шиной 175/70R13 по изменению степени его скольженияРис. 7.26. Результаты испытаний на продольное аквапланирование современных моделей шин. Определение критической скорости, при которой возникает 15%ное проскальзывание колес Рис. 7.27.Падение уровня критической скорости,при которой возникает аквапланирование, по мере снижения давления воздухав шине (для шины номинальное давление 250 кПа)Рис. 7.28. Пониженное сцепление шины с дорогой при движении по снежно-водянойкаше (слашпленинг)Влияние глубины рисунка протектора шины навеличину критической скорости, при которой возникает аквапланирование приразной толщине водянойпленки, было показано нарис. 7.22.Величина критическойскорости аквапланирования зависит также отвнутреннего давления вшине. Скорость вхожденияшины в аквапланированиеуменьшается при снижении давления, так как приэтом снижается удельноедавление в пятне контакташины с дорогой, особеннопо центру беговой дорожки{см.7.14, б). В результате на мокрой дороге водяной клин легче задвигаетсяпод шину, значительно понижается уровень критической скорости, при которойшина всплывает (рис. 7.27).Особенно коварно поперечное аквапланирование при маневрировании намокрой дороге: под воздействием силы бокового увода(рис. 2.1,7.20) шины передней и задней осей внезапно теряютконтакт с дорогой, автомобиль заносит, он становится полностью неуправляемым. Наиболее тяжелые условия — гладкий тающий лед притемпературе около О °С, покрытый водяной пленкой, и слашпленинг(снежно-водянаярис. 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 наступленияявления аквапланирования. Поэтому независимо от квалификацииводителя для избежания явления аквапланирования, он должен соблюдать следующие правила: 7.7. Нормы допустимого Допустимый износ протектора реизноса протектора гламентируют размером остаточнойвысоты выступов рисунка протектора, по достижении которой шина должна сниматься с транспортногосредства.Остаточная высота рисунка протектора, ниже которой рисуноктеряет свои свойства и дальнейшая эксплуатация шины становитсяопасной, 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, дляшин мотоциклов и мопедов — 0,8 мм. Однако эти нормы обеспечиваютбезопасность лишь на сухой или слабо увлажненной дороге с твердымпокрытием. Для мокрого дорожного полотна они не приемлемы. Нарис.показан пример существенного увеличения тормозного путина влажной дороге по мере износа рисунка протектора. Тормозной 7.29. Тормозной путь легкового автомобиля при снижении скорости со 100до 60 км/ч на сухом и влажном дорожном покрытии в зависимостиот степени износа рисунка протекторапуть легкового автомобиля при снижении скорости содо 60 км/чв случае предельно допустимого износа протектора с остаточной высотой рисунка 1,6 мм достигает 80 м, т.е. в полтора раза больше, чем вслучае новых шин с не