Назначение пневматических шин

Единственный связующий элемент между автомобилем и дорогой — шина. Шины обеспечивают сцепление колеса с дорожным покрытием, передачу тяговых и тормозных усилий, амортизацию сил, возникающих при наезде на неровности дороги, управляемость и безопасность движения автомобиля, динамичность и плавность его хода, проходимость в различных дорожных условиях, влияют на расход топлива автомобилем и шумообразование.

Основополагающие функции шины, определяющие почти все перечисленные, — сцепление с дорогой и амортизация. Вместе с ними способность поглощения энергии (сопротивление качению) и шумообразование при качении в значительной степени определяют потребительские свойства шины.

Хорошее сцепление шины с дорогой повышает управляемость, устойчивость, динамичность и тормозные свойства, т.е. безопасность движения. Как показывает статистика, недостаточное сцепление является причиной 25-40% дорожно-транспортных происшествий при движении по мокрым дорогам. Взаимодействие автомобиля с дорогой осуществляется в первую очередь через ведущие колеса. На колесо действует вертикальная составляющая массы автомобиля P_z. В горизонтальной плоскости все действующие на шину силы можно привести к продольной составляющей P_x (рис. 2.1), действующей в плоскости качения колеса, и перпендикулярной ей поперечной составляющей называемой силой бокового увода Р_y. Величина и направление Р_x определяется в основном значением подводимого к колесу крутящего момента от двигателя автомобиля, а также силой торможения. Сила бокового увода Р_y возникает вследствие внешних воздействий, таких как боковой ветер, поперечный наклон дороги или при повороте. Обычно боковая сила Р_y значительно меньше, чем продольная Р_x, отклонение по величине и направлению вектора результирующей силы Р от продольной Р_х несущественно. Однако при некоторых условиях, например при резком повороте или повороте с большой скоростью, боковая сила может достигать значительных величин. В этом случае при определенном сочетании значений Р_x и Р_y результирующая сила Р может превысить предел сцепления шины с дорогой и изменить направление движения колеса (говорят, что автомобиль заносит).





Максимальное значение усилия Р_х при прямолинейном движении или суммарное усилие Р при маневрировании не могут превышать силу сцепления шины с дорогой F: если P＞F, то колесо пробуксовывает, теряет связь с дорогой.

На схеме наглядно показано сложение продольной и боковой сил в виде силовой диаграммы, иногда называемой «круги Камма» [Вунибальд Камм (1893—1966) — профессор кафедры автомобилей технического университета г. Штутгарта (Германия)]. Диаметры кругов соответствуют предельным значениям силы сцепления шины с разными дорожными покрытиями. В этом примере результирующая суммарная сила на мокрой дороге выходит за границу крута Камма, хотя каждая из ее составляющих находится в пределах Круга.

Во время маневра каждый водитель должен твердо помнить, что при критических значениях продольной силы (ускорения или торможения) даже небольшая боковая сила может привести к заносу автомобиля и потери управления, особенно при большой скорости его движения.



Силу сцепления шины с дорогой F увеличивают повышением коэффициента сцепления μ (см. параграф 7.5) и увеличением нагрузки на шину P_z. Вместе с тем известно, что независимо от общей нагрузки удельное давление в площади контакта приблизительно соответствует давлению воздуха в шине. Под действием вертикальной нагрузки, приложенной к колесу, шина деформируется, уменьшается ее высота, увеличивается ширина ее профиля и площадь контакта шины с дорогой (рис. 2.2). При этом суммарное давление шины на дорогу по всей площади контакта соответствует указанной вертикальной нагрузке Р_z. Прогиб профиля шины (s) под действием вертикальной нагрузки и, соответственно, площадь контакта зависят от величины нагрузки, конструкции шины и давления воздуха в ней (см. параграфы 7.3, 7.4).



Опытные водители зимой для повышения устойчивости автомобиля на скользкой дороге максимально увеличивают его загрузку и, в частности, для уменьшения буксования на скользком участке дороги повышают нагрузку на ведущую ось автомобиля, разгрузив при этом ведомую (перемещением груза или пассажиров). На особенно трудно проходимых участках, например на глубоком снегу, временно снижают давление в шине.



Однако на обледенелой дороге понижение давления воздуха в шине ухудшает сцепление с дорогой.

Амортизационные (демпфирующие) свойства шины, т.е. способность сглаживания, уменьшения вертикальных перемещений оси колеса при наезде на неровности дороги, определяют комфортабельность, плавность хода автомобиля, его эксплуатационную надежность, долговечность подвески. Чем «мягче» шина, тем выше ее амортизационная способность, и наоборот, чем она «жестче» (т.е. меньше ее деформация под действием вертикальной нагрузки), тем меньше амортизация.

Сжатый воздух в шине воспринимает основную часть нагрузки на колесо. Объем воздуха в шине при ее деформации практически не изменяется (в пределах 1—2%). Вместе с тем работа сжатия воздуха в шине при ее деформации весьма значительна и составляет при нормальной нагрузке и давлении примерно 60—70% всей работы деформации. Остальные 30-40% затрачиваются на деформацию материала шины. Однако с ростом степени прогиба шины (s) работа, затрачиваемая на деформацию ее материала, резко возрастает, увеличиваются потери на качение, расход горючего, повышается температура шины и снижается ее долговечность (см. параграфы 7.1, 7.3, 7.4).

Для каждой шины и условий эксплуатации устанавливают оптимальные значения степени ее деформации и, соответственно, внутреннего давления воздуха в шине и нагрузки на колесо, обеспечивающие минимальное сопротивление качению (расход горючего) при сохранении необходимых эксплуатационных свойств (амортизации, надежности и др.).

Амортизационная способность определяет свойства шины как элемента подвески автомобиля, гасящего динамические нагрузки. Для наилучшей амортизации автомобиля необходимо оптимальное сочетание амортизационной способности шины и амортизационных свойств других элементов подвески. При замене шин следует строго руководствоваться рекомендациями изготовителя автомобиля во избежание ухудшения его ходовых свойств, преждевременного разрушения элементов подвески и шин.



В современных условиях влияние шин на расход автомобильного топлива имеет важное значение. В то же время количество сжигаемого в автомобильных двигателях топлива напрямую связано с объемом вредных выбросов, загрязняющих окружающую среду.

Энергия сжигаемого топлива расходуется для обеспечения работы двигателя и других агрегатов, на преодоление сопротивления воздуха движению автомобиля, трения в трансмиссии, сопротивления качению шины. На рис. 2.3 представлено среднестатистическое распределение энергии от сгорания топлива между системами автомобиля.



Экономичность автомобиля принято оценивать расстоянием, которое он может проехать, израсходовав единицу объема топлива. Динамика изменения этого показателя автомобилей североамериканского рынка в период с 1975 года показана на рис. 2.4. Из рисунка видно, что с середины 80-х годов и до настоящего времени экономичность как легковых, так и грузовых автомобилей практически не изменилась и даже несколько снизилась после резкого улучшения этого показателя по выходе из энергетического кризиса 70-х годов. Доля двигателя в общем балансе потерь энергии автомобиля за это время также практически не изменилась. Отсутствие улучшения топливной экономичности автомобилей в течение столь длительного времени показывает, что отвечающие за экономичность элементы конструкции современного массового автомобиля близки к своему пределу.





Дальнейшее совершенствование требует принципиально новых решений, таких как использование гибридных энергетических систем, замена двигателя внутреннего сгорания на электрический, водородный и прочий. При этом, поданным, в середине 80-х годов прошлого века на качение шины легкового автомобиля расходовалось больше энергии, чем на современные шины, — 6,6% против 4% (т.е. более чем в полтора раза). Даже с учетом возможной разницы в методиках испытаний и объема выборки это свидетельствует о значительном прогрессе в улучшении экономичности шин по сравнению с другими системами автомобиля.

Практически только шины остаются экономичным элементом конструкции автомобиля, который пользователь может самостоятельно заменять по мере появления их на рынке и немедленно чувствовать эффект от этой замены. Снижение сопротивления качению шины на 10% приводит к 1,5—2% экономии топлива легковыми и легкогрузовыми автомобилями в обычных режимах работы. Для грузовых автомобилей экономия топлива может достигать 3% на каждые 10—15% улучшения характеристики потерь в шинах.



Вместе с тем потери на качение отражаются не только на расходе топлива, но и на ряде эксплуатационных характеристик шины. При равных прочностных показателях шин разных конструкций уровень потерь на качение косвенно характеризует их эксплуатационную надежность, определяет уровень их максимально допустимой скорости, отражает такие качественные характеристики, как силовая неоднородность, дисбаланс, наличие скрытых внутренних дефектов (см. параграф 7.1).

Вот почему, несмотря на относительно небольшую долю в общем балансе энергии автомобиля, потери в шинах оказались в зоне пристального внимания и изучения как производителей шин, так и органов стандартизации, государственного регулирования, потребительских организаций в целях получения единого комплексного показателя, характеризующего качество и рыночную, потребительскую ценность шины.