Работа и эксплуатация шин

Работа шинынеподвижного колеса под действием внешней радиальной нагрузки заключается в упругих деформациях и трении в материалах шины. Деформация шины является функцией внешней нагрузки и внутреннего давления воздуха. Деформация увеличивается при повышении нагрузки или при снижении внутреннего давления при постоянной нагрузке. Статическая деформация выражается в уменьшении высоты профиля шины на величину h (прогиб шины), увеличении ширины В профиля и площади контакта ее с дорогой, а также в уменьшении ее радиуса. Статический радиус R_ст меньше свободного радиуса R₀ шины на величину ее статического прогиба (рис. 6.11, а):

R_CT= R₀ - h_CT см. (6.1)

Величина статической деформации выражается приближенно следующей формулой:

h_CT = см., (6.2)

Рис, 6.11 Радиальная деформация шины:

а — статическая деформация и площадь контакта шины; б — эпюры у дельных давлений в плоскости контакта шины

где G_K — нагрузка на шину, Н;

P_ω — внутреннее давление воздуха, МПа

D — наружный диаметр колеса, см;

В — ширина профиля шины, см.

Среднее удельное давление в плоскости контакта шины с дорогой определяет ее проходимость по мягким грунтам и выражается зависимостью между нагрузкой G_K на шину и площадью F₀ контакта шины

q_ср = G_K/F₀ (6.3)

Однако при движении шины по твердым покрытиям действительное среднее удельное давление будет выше вследствие того, что нагрузка передается не на всю площадь контакта F₀ а на суммарную площадь выступов рисунка протектора F_Д:

q_ср.Д = G_K/F_Д(8.4)

Удельные давления в плоскости контакта шины распределяются неравномерно по площади, как это видно из эпюр рис. 6.11, б.

Работа шиныдвижущегося колеса характеризуется возникающими дополнительными динамическими' нагрузками на шину. Согласно исследованиям, динамические нагрузки превышают статические в 2— 3 раза, а при наезде на препятствие — в 6—7 раз.

Радиальная нагрузка движущегося колеса вызывает деформацию шины, которая при качении колеса перемещается по окружности. За один оборот колеса каждый элемент профиля шины претерпевает полный цикл нагружения и разгружения. Такие деформации называются циклическими. У шины ведущего колеса деформация в окружном направлении распространяется примерно на ¹/₃ окружности, т.е. на 120°

Рис 6.12 Окружная деформация шины при передаче крутящего момента;

а — зона сжатия; б — зона растяжения

Рис. 6.13 Направление касательных сил в плоскости контакта шины

по центральному углу, причем в передней части шины (угол 60°, считая от центра контакта) будет наблюдаться сжатие, а при выходе из контакта — растяжение (рис. 6.12). При скорости движения 50—60 км/ч один и тот же участок шины у автомобиля ЗИЛ-130 претерпевает около 10 деформаций в секунду. За весь срок службы шина выдерживает 20—30 млн. циклических деформаций.

При качении колеса фактический радиус шины непрерывно меняется, особенно при движении на плохих дорогах, но в среднем он несколько больше статического за счет центробежных сил (при больших скоростях) и повышенной жесткости материалов шины при динамических деформациях. При быстром качении шины ее материал не успевает деформироваться полностью. Таким образом, при больших скоростях R_ДИН > R_СТ Фактический же средний радиус качения определяется длиной пути и числом оборотов колеса

R_КАЧ = S/2πn (8.5)

При качении колеса в плоскости контакта шины с дорогой возникают касательные силы, направленные к центру контакта (рис. 6.13), что объясняется деформацией шины от радиальной нагрузки. Действие касательных сил вызывает проскальзывание элементов протектора и его износ. Шина типа Р имеет жесткий брекерный пояс, который хорошо противостоит деформациям ее а зоне контакта, что и обеспечивает высокую износостойкость протектора и меньшее сопротивление качению.

Сопротивление качениюшины зависит от радиальной нагрузки и коэффициента сопротивления качению

P_f = G_Kf (8.6)

Потери мощности на сопротивление качению слагаются из трех составляющих; потери на трение в зоне контакта шины с дорогой, потери на деформацию грунта и потери на деформацию шины.

Рис. 6.14 Зависимость деформации шины от нагрузки на колесо (петля гистерезиса)

Потере на трение в зоне контакта невелики и составляют около 10% всех потерь. Потери на деформацию грунта особенно велики на мягких грунтах, а при движении по твердым дорогам преобладают потери на деформацию шины.

В свою очередь потери на деформацию шины состоят из потерь мощности на упругие деформации шины и на внутреннее трение. Затраты мощности на упругие деформации компенсируются при снятии нагрузки (обратимые потери), в то время как энергия, затраченная на внутреннее трение, превращается в тепло (необратимые потери). Следовательно, энергия, теряемая на внутреннее трение в шине, зависит от величины деформации шины под действием нагрузки на колесо (рис.6.14).

Рис. 6.14 Зависимость деформации шины от нагрузки на колесо (петля гистерезиса)

Как видно из рисунка, работа, затраченная на деформацию шины при ее нагрузке (вся площадь под верхней кривой 0В), больше работы, возвращенной при разгрузке (площадь под нижней кривой), а площадь между кривыми соответствует затрате энергии на трение. Эти кривые образуют так называемую петлю гистерезиса, которая характеризует потерю механической энергии на внутреннее трение в шине. Чем выше потери энергии на внутреннее трение в материале шины, тем больше образуется в ней тепла.