Сцепление шин грузовых автомобилей

Сцепление шин грузовых автомобилей

 

Определение точных характеристик шин является важным условием оптимизации управляемости, ходовых качеств, комфорта­бельности автомобиля и уменьшения вибра­ций в трансмиссии. Мы уже затрагивали тему сцепления шины с дорогой в разделе «Физика автомобиля».  По этой причине в этом статье мы поговорим о шинах размером 11 R 22,5, нашедшим широкое применение, и  как происходит сцепление шин грузовых автомобилей с дорогой.

 

 

Приведенные ниже данные по рабочим характеристикам шин относятся к шине Michelin XZA 11 R 22,5.

Характеристики шины при свободном качении колеса и заданном угле увода

 

Когда шина вращается при заданном угле увода, боковые усилия являются функцией этого угла. Наличие боковых усилий вызывает появление стабилизирующего момента (рис. «График взаимозависимостей рабочих характеристик шин» ). Эта диа­грамма часто используется для иллюстрации подобного явления. Боковое усилие зависит от угла увода и медленно возрастает при при­ложении к колесу более высоких нагрузок (рис. «Соотношение между боковым усилием и углом увода шины (нагрузка на колесо и угол развала)» ). Боковые усилия обратно пропорциональны скорости движения, в то время как влияние скорости возрастает в зависимости от измене­ния нагрузки на колесо (рис. «Соотношение между боковым усилием, стабилизирующим моментом и углом увода шины (параметр скорость)»  ).

 

График взаимозависимостей рабочих характеристик шин

 

При рассмотрении работы шин для легко­вых и малотоннажных грузовых автомобилей выявляется следующее. При качении колеса с заданным углом увода, определяемым развалом колеса, развал и боковые усилия приводят к параллельному смещению кривых «боковое усилие — угол увода».

 

Соотношение между боковым усилием и углом увода шины

 

Шины большегрузных грузовых автомоби­лей также подвержены воздействию боковых усилий, зависящих от развала, что приводит к дополнительному смещению этих же кривых; это явление имеет место только при больших углах увода. В результате практически все кривые пересекаются в точке начала коорди­нат (рис. «Соотношение между боковым усилием и углом увода шины (нагрузка на колесо и угол развала)» ). При движении по сухим дорогам уменьшенная глубина рисунка протектора шины приводит к большей крутизне кривых «боковое усилие — угол увода», что также со­провождается увеличением значений макси­мальных боковых усилий (рис. «Соотношение между боковым усилием и углом увода шины (глубина протектора)» ).

 

 

Характеристики шины при ускорении и торможении во время качения колеса по прямой

 

Относительное скольжение воздействует на шину аналогично воздействию угла увода (рис. «Соотношение между боковым усилием и углом увода шины (нагрузка на колесо и скорость движения)«). Мак­симальное окружное усилие (сила торможения) обычно находится в диапазоне 10-20% относительного скольжения шины на сухом дорожном покрытии. Коэффициент сцепления в перифе­рийном направлении уменьшается с ростом на­грузки на колесо не так сильно, как в попереч­ном направлении. На шинах больших размеров влияние, которое скорость движения оказывает на поперечный коэффициент сцепления, менее заметно в нормальном скоростном диапазоне для большегрузных грузовых автомобилей, чем для шин, устанавливаемых на легковых автомобилях (рис. «Соотношение между боковым усилием и углом увода шины (нагрузка на колесо и скорость движения)«).

 

Соотношение между боковым усилием и углом увода шины (глубина протектора)

 

Величина внутреннего давления в шине ока­зывает только минимальное влияние на макси­мальные окружные усилия при низкой нагрузке на колесо. При более высоких нагрузках на ко­леса пониженные давления в шинах в гораздо большей мере оказывают влияние на увеличе­ние максимального окружного усилия (рис. «Соотношение между тормозным усилием и углом увода шин грузовых автомобилей (внутреннее давление в шине и нагрузка на колесо)» ).

 

Соотношение между тормозным усилием и углом увода шин грузовых автомобилей (внутреннее давление в шине и нагрузка на колесо

 

Боковые и окружные усилия по-разному изме­няются при высокой нагрузке на шину при изме­нении внутреннего давления в шине (рис. «Соотношение между боковым усилием и углом увода шин грузовых автомобилей (внутреннее давление в шине и нагрузка на колесо)» и «Соотношение между тормозным усилием и углом увода шин грузовых автомобилей (внутреннее давление в шине и нагрузка на колесо)).

 

 

Характеристики шины при разных углах увода и относительном скольжении

 

Соотношение между боковой силой и тормозным усилиемЕсли при качении шин к ним, кроме продоль­ных сил, прикладываются и боковые силы, то любое проскальзывание, вызванное про­дольными силами, будет снижаться с уве­личением угла увода. Чем больше значение угла увода, тем в большей степени кривая изменения максимальной продольной силы смещается в сторону более высоких показа­телей скольжения (рис. «Соотношение между тормозным усилием и углом увода (угол увода)» ).

Эллиптические кривые, характеризующие зависимость между боковым и окружным (тор­мозным) усилиями, изменяются в соответствии с изменением величины нагрузки на колесо (рис. «Соотношение между боковой силой и тормозным усилием» ). При критической колесной нагрузке эта кривая соответствует пределу сцепления шины с дорогой для автомобилей, оборудован­ных антиблокировочной системой тормозов.

Измеренные характеристики шин пока­зывают кривую боковой силы как функцию силы торможения в диапазоне углов бо­кового увода 0-10°. Такие параметры, как вертикальная нагрузка на колесо, скорость движения и давление в шине, остаются по­стоянными (рис. «Кривые, полученные на основе замеренных характеристик шин при нагрузке на колесо 30 кН» ).

 

Соотношение между тормозным усилием и углом увода (угол увода) Кривые, полученные на основе замеренных характеристик шин при нагрузке на колесо 30 кН

 

Шины на мокрой дороге

 

Контактное пятно шины, зависящее от состояния дорогиКогда шины движутся по мокрой дороге (рис. «Контактное пятно шины, зависящее от состояния дороги» ), в передней части контактного пятна шины образуется зона вытеснения А. За короткой пере­ходной зоной В следует зона фактического кон­такта С в задней части контактного пятна. Зона А характеризуется водяным клином, полностью отделяющим шину от поверхности дороги. Если зона А охватывает всю контактную поверхность «шина/дорога», то автомобиль аквапланирует. Ниже перечислены ключевые переменные, влияющие на коэффициент сцепления шин на мокрой дороге:

  • Скорость движения;
  • Глубина слоя воды;
  • Нагрузка на колесо;
  • Ширина шины;
  • Глубина протектора;
  • Рисунок протектора;
  • Распределение контактного давления в контактном пятне шины;
  • Состав резины;
  • Состояние поверхности дорожного по­крытия.

 

В свою очередь, каждый из этих параметров также зависит от ряда других влияющих пере­менных.

Например, распределение контактного давления в контактном пятне шины также за­висит от конструкции шины, рисунка протек­тора, угла развала колес, брекерного пояса шины, конструкции боковин и, в увязке с двумя последними переменными, — от кри­вой рисунка протектора, параллельной оси колеса.

На левой схеме на рис. «Влияние глубины слоя воды на силу торможения и боковую силу» показаны кривые сил, воздействующих на шины, в функции их конструктивных параметров. Примечательно, что наблюдаются в принципе одинаковые кривые для боковой силы как функции угла бокового увода и силы торможения как функ­ции проскальзывания колеса на различной глубине воды. Форма характеристической кривой также одинаковая при разной глубине.

 

Влияние глубины слоя воды на силу торможения и боковую силу

 

На средней схеме на рис. «Влияние глубины слоя воды на силу торможения и боковую силу» показана зави­симость силы торможения от скорости движе­ния на различной глубине слоя воды. В диа­пазоне сцепления шин с мокрой дорогой, т.е. при минимальной глубине воды, на сцепление в значительной мере влияет состав резины. Однако в диапазоне аквапланирования, т.е. при высоком уровне воды и на высокой скорости (в остальном параметры шин идентичны) преоб­ладающими влияющими переменными будут рисунок протектора и распределение контакт­ного давления в контактном пятне шины Другим крупным влияющим параметром является глубина рисунка протектора, явля­ющаяся частью сложной системы — рисунка протектора. На правой схеме на рис. «Влияние глубины слоя воды на силу торможения и боковую силу» по­казан эффект глубины рисунка протектора при различной глубине воды.

 

Зависимость пределов сцепления от глубины воды

 

На рис. «Зависимость пределов сцепления от глубины воды» приведена карта-схема, ото­бражающая пределы сцепления с дорогой, зависящие от глубины слоя воды.

 

Характеристики аквапланирования грузовых шин различных изготовителей

 

На рис. «Характеристики аквапланирования грузовых шин различных изготовителей» показаны силы торможения, до­стигаемые с различными шинами в условиях аквапланирования. Разница в уровнях характе­ристик шин различных изготовителей в усло­виях аквапланирования очень значительна. Они могут противоречить концепции управления ди­намикой, используемой автопроизводителями на многих этапах оптимизации.

 

 

Шины на скользкой зимней дороге

 

Схемы характеристик шин на льду и снегу очень похожи на схемы характеристик на сухой дороге. Ключевыми параметрами, влияющими на сцепление с дорогой явля­ются температура, условия образования слоя льда и снега, возраст ледяной или снежной структуры и степень загрязнения.

Другой важной переменной, влияющей на сцепление шин со скользкой зимней дорогой, является состав резины шины.

Предъявляемые к шине требования при движении по снегу и по льду часто различа­ются. В то время как для снега идеально под­ходит большая компрессионная нагрузка и высота рисунка протектора, самоочищающе­гося и обеспечивающего хорошее сцепление, для оптимального сцепления на льду пред­почтительна небольшая компрессионная на­грузка.

 

Влияние температуры льда на поведение шин при прохождении поворотов

 

На схеме боковых сил и угла бокового увода показано влияние температуры на поверхно­сти льда (рис. «Влияние температуры льда на поведение шин при прохождении поворотов«, слева).

В дополнение к широкому спектру макси­мально достигаемых боковых сил, ключевую роль в их формировании играет и темпера­тура. Здесь максимум боковых сил образу­ется на льду при температуре около 0 °С. Аналогично образуется максимум тормозных сил, как показано на схеме «силы торможе­ния / скольжение колес».

На правой схеме на рис. «Влияние температуры льда на поведение шин при прохождении поворотов» показано влияние температуры на поверхности льда на максимальную боковую силу при разной скорости. При падении температуры эффек­тивность шины вновь повышается.

Требования к системе «колесо/шина»

 

Требования, предъявляемые к шинам буду­щего:

  • Общее соответствие системе «колесо/шина» в целом;
  • В настоящее время предлагается меньше ва­риантов шин;
  • Разработки новых шин должны либо соот­ветствовать, либо превосходить текущие требования к функциональной безопасности, экономичности и сроку службы;
  • Минимизированное сопротивление качению;
  • Стандартизированные шины на всех колесах;
  • Сниженная масса шины;
  • Общая совместимость с цепями противо­скольжения;
  • Пониженный уровень шума от качения шины;
  • Значительно меньше неоднородностей в шине;
  • Значительное улучшение сцепления шин с дорогой совершенно необходимо (как в по­перечных, так и в продольных направлениях) для увеличения безопасности движения в потоке с другими участниками дорожного движения;
  • Раннее составление схем-характеристик шин для анализа и оптимизации управления ди­намикой.

 

Непрерывная адаптация грузовых автомоби­лей к существующим и предсказуемым за­просам рынка — также требует расширения пределов характеристик шин. Это порождает следующие основные требования к конструк­ции шин:

  • Снижение массы шины;
  • Увеличение грузоподъемности;
  • Уменьшение неровности колес;
  • Увеличение долговечности колес в точках, подверженных растрескиванию (т.е. борт диска и вентиляционные отверстия, свар­ной шов между диском и ободом, радиус утопленного центра).

 

 

Карты динамических характеристик шины

 

Характеристические кривые для шин стро­ятся на основе тех параметров, которые под­вергаются постепенным изменениям при про­ведении измерений, т.е. в квазистатических условиях. Реальные условия работы, с другой стороны, характеризуются динамическими процессами. Увеличение скорости изменения влияющих параметров приведут к опреде­ленным изменениям реакции шины в плане маневрирования, которыми больше нельзя будет пренебрегать.

Наиболее важными яв­ляются динамические изменения:

  • Угла увода;
  • Ширины колеи;
  • Развала;
  • Проскальзывания;
  • Нагрузки на колесо.

 

Реакция шины на эти быстро изменяющиеся параметры обычно описывается как функ­ция частоты в программных картах, т.е. частотно-зависимые амплитуды и фазовые углы воздействующих на шину сил и момен­тов изображаются как функция сил, воздей­ствующих на шину. Сюда относится частотно-­зависимая характеристическая кривая для средних значений сил и моментов.

В следующей статье я расскажу о системе контроля давления в шинах.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *