Эксплуатационные характеристики шин: 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 называются «потерями на качение шины» или «сопротивлением качению шины Р_k». Кроме этого, движущееся колесо испытывает сопротивление, обусловленное трением в подшипниках (обычно незначительное) и сопротивление воздуха движению автомобиля (небольшое при низких скоростях движения и возрастающее при его увеличении в квадратной степени). Суммарный эффект этих явлений называют «сопротивление движению» или «силой 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 автомобиля (При скорости автомобиля 100 км/ч и более резко возрастает лобовое сопротивление воздуха, увеличивается расход топлива.).

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:

f = P_k/P_z,

где: P_k — сила сопротивления движению;
P_z — 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 (рис. 7.1). На графике показано, что восстановление элемента происходит медленнее, чем его деформирование. Эго 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 дорогой. 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 брекере (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 износостойкость. 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 μ (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°C приводит к уменьшению коэффициента сопротивления качению на 0,65-1%. И наоборот, зимой при низких температурах коэффициент сопротивления качению увеличивается. Например, в начале движения при собственной температуре шины —7°C сопротивление качению может быть в 3 раза больше, чем при рабочей температуре шины 93°C летом.

На мокрой дороге сопротивление качению возрастает по сравнению с сухой, так как вода охлаждает пишу, 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.