Виды деформирования шины

Деформация шины при статическом нагружении автомобильного колеса. Из-за податливости шины при приложении к колесу через подшипник нормальной нагрузки (веса неподвижного автомобиля) имеет место радиальная деформация шины, при этом в процессе деформации шины преодолевается упругое сопротивление оболочки шины и воздуха в ней и сопротивление сил внутреннего трения в конструкции шины. На рис. 2 показана зависимость деформации шины от приложенной нагрузки. Верхняя кривая иллюстрирует зависимость усилия G_k (вес автомобиля, приходящийся на одно колесо) от вызванного этим усилием деформации λ. Заметим, что в случае увеличения нагрузки силы упругого сопротивления воздуха и оболочки шины совпадают по направлению и их сумма противодействует внешней нагрузке G_k.

При снятии нагрузки шина восстанавливает первоначальный размер под действием упругих сил воздуха и оболочки шины, а силы внутреннего трения действуют в этом случае против сил упругости.

Кривая зависимости нормального усилия, приложенного к ступице колеса от вызванной этим усилием деформации, при разгружении шины иллюстрируется на рис.2 нижней кривой. Площадь под верхней кривой характеризует работу сил упругости и сил внутреннего трения при нагружении шины, площадь под нижней кривой - работу сил упругости при разгружении. Площадь между кривыми характеризует работу сил внутреннего трения в шине. Вывод, который можно сделать из этого исследования, в первую очередь заключается в том, что при нагружении шины требуется приложить к ее ступице большее усилие, чем прикладывается к этой же шине при разгружении.

Рис.2. Деформация шины при нагружении – разгружении.

При нагружении колеса преодолевается сила упругости и сила внутреннего трения в материале шины. При разгружении сила упругости восстанавливает форму шины, а сила внутреннего трения в материале шины вновь сопротивляется (петля гистерезиса). Таким образом, в процессе нагружения – разгружения шины часть энергии затрачивается на внутреннее трение в шине – шина нагревается.

Окружная деформация шины возникает под действием крутящего момента на колесе М_к, который вызывает деформирование боковин и протектора шины. Вследствие этого обод колеса поворачивается на некоторый угол φ_Т относительно части протектора, находящейся в контакте с поверхностью качения. Соотношение между крутящим моментом М_к и угловой деформацией φ_Т шины характеризует её жесткость в окружном направлении. Эта характеристика шины проявляется в динамике:

σ_φ= d М_к / d φ_Т .

Податливая шина снижает динамические нагрузки в трансмиссии при трогании с места и разгоне, а также при работе с переменной нагрузкой на сцепке прицепа. Но она подвержена большему износу в тормозном и ведущем режимах. Жесткость шины в окружном направлении повышается с уменьшением профиля шины (серии), с увеличением давления воздуха в ней и нормальной нагрузки.

Под действием касательной силы Р_к шина деформируется в продольном направлении. При этом каркас шины и её протектор смещаются в направлении качения колеса. Продольную деформацию оценивают смещением с (мм) оси колеса относительно геометрического центра пятна контакта шины. Жесткость в продольном направлении у шины диагональной конструкции выше по сравнению радиальной с шиной примерно в 1,5 раза. Вследствие более высокой податливости и меньших гистерезисных потерь продольные колебания радиальной шины гасятся менее интенсивно, чем диагональной шиной.

Поперечная (боковая) деформация шины возникает под действием боковой силы Y_к и существенно влияет на устойчивость и управляемость автомобиля. Боковая сила Y_к возникает при резком боковом воздействии на автомобиль ветра или при повороте автомобиля (центробежная сила). При боковой деформации диск колеса смещается относительно пятна контакта на некоторую величину h_z. При этом само пятно контакта разворачивается на некоторый угол δ относительно плоскости качения колеса вследствие деформации нижней части шины. Это явление получило название бокового увода колеса. Величина бокового увода оценивается по углу δ бокового увода или по коэффициенту сопротивления боковому уводу k_y:

k_y = d Y_к / d δ.

Коэффициент k_y характеризует свойство шины противостоять боковому уводу. Он зависит от высоты и ширины профиля шины, угла и слоев нитей корда (см. главу 1 раздела 3 «Конструкция и расчет автомобиля»), а также от давления воздуха и нагрузки на колесо.

Для каждого типа (серии) шины регламентированы максимальная боковая сила и соответствующий ей максимальный угол бокового увода без бокового проскальзывания элементов протектора. Максимальный угол бокового увода большинства шин равен 3…5⁰. При дальнейшем увеличении боковой силы наступает боковое скольжение колеса. Опыт эксплуатации показывает, что боковой увод колеса влияет не только на управляемость автомобиля, но и на его топливную экономичность, а также на работу шины в целом.

Угол бокового увода шины обусловлен эффектом совместного действия момента, нагружающего колесо в плоскости, параллельной поверхности качения колеса, и боковой силы Y_к при условии, что в пятне контакта шина имеет сцепление с дорогой. В пределах упругой деформации шина разворачивается относительно пятна контакта на некоторый угол δ, и средняя линия её протектора принимает форму abcd (рис.4).

Деформация шины растет с увеличением приложенного к ней момента и боковой силы Y_к до потери сцепления с дорогой. Первыми начинают проскальзывать элементы протектора, периферийные по отношению к центру зоны контакта, то есть расположенные вблизи линии границы контакта. По мере увеличения момента проскальзывание шины распространяется от краев к центру пятна контакта. При достижении некоторой критической величины момента все элементы протектора начинают проскальзывать с разной интенсивностью.

Рис.4. Угловая деформация шины при резком боковом воздействии на автомобиль.

Угловая жесткость (податливость) оказывает влияние на показатель управляемости автомобилем. Вследствие допустимой (умеренной) угловой деформации шины облегчается поворот колеса во время движения и снижается проскальзывание элементов протектора в пятне его контакта с дорогой. Излишняя податливость шины приводит к запаздыванию поворота колеса относительно управляющего воздействия со стороны водителя. Причем оно тем больше, чем резче проявляется управляющее воздействие.