Коэффициент качения автомобильных шин
Что такое сопротивление качению шины
К аждый владелец машины вам уверенно заявит, что от качества автомобильных шин очень сильно зависит не только управляемость авто, но и расход топлива, сцепление с асфальтом и динамика движения. Кроме того, мы уверены, что вы точно слышали о таком термине, как «сопротивление качению шин» и наверняка задавались вопросом о том, что он означает и как он влияет на общие свойства покрышек. В нашей статье мы рассмотрим, что такое сопротивление качению шины, и как шины с низким сопротивлением качению могут повысить топливную эффективность вашего автомобиля. Итак, приступим!
Что такое сопротивление качению шины?
Давайте разберемся, что такое сопротивление качению шин. Когда вы нажимаете на педаль газа в вашем автомобиле, вы начинаете ускоряться. Но если посмотреть более детально на сам процесс ускорения автомобиля, то можно увидеть, что нажимая на педаль газа вы передаете энергию от сгорания топлива в моторе, или электрическую энергию (все зависит от того, какой тип двигателя вы используете) через другие системы прямиком на шины вашего автомобиля. Это приводит к тому, что ваши покрышки начинают оборачиваться и набирать достаточный импульс, чтобы ваш автомобиль начал двигаться. Но для того, чтобы колесо начало двигаться, ваши покрышки должны преодолеть очень много факторов, которые препятствуют началу движения. И одним из этих факторов является сопротивление качению шины.
Если говорить техническим языком, то сопротивление качению шины – это минимальная энергия, которую ваше транспортное средство должно передать на колеса, чтобы поддерживать постоянную скорость на ровном дорожном полотне. Другими словами, это усилие, которое нужно для того, чтобы колесо постоянно двигалось.
Главным источником сопротивлению качения является процесс, который называется гистерезис. С технической точки зрения, гистерезис – это, по сути, потеря энергии, которая возникает при прохождении шины по поверхности дорожного полотна. Из-за того, что двигатель автомобиля должен постоянно компенсировать гистерезис, он должен вырабатывать дополнительную энергию, что приводит к увеличению расхода топлива.
Как конструкция покрышки влияет на сопротивление качения
Что такое сопротивление качению мы уже разобрались. Но от чего непосредственно зависит сопротивлении качению? Как бы это странно не звучало, но качение покрышки напрямую зависит от конструкции шины и ее свойств. Давайте детально рассмотрим все ключевые аспекты.
Сама конструкция и материалы, из которых она установлена, напрямую влияет на качение шины. Кроме того, иногда индекс сопротивления качению двух визуально одинаковых покрышек может отличаться практически в два раза. Помимо конструкции, на свойства качения покрышки сильно влияет индекс скорости. Высокий индекс скорости означает, что покрышка обладает высокой курсовой устойчивостью, а сама покрышка специально усилена, чтобы выдерживать большие нагрузки. Хоть такие покрышки и обеспечивают большую безопасность на высоких скоростях, но из-за этого приходится жертвовать увеличенной мощность сопротивления. Немаловажным параметром также является размерность колеса. Здесь все просто: чем больше диаметр колеса, тем меньшим будет сопротивление качению. Известно, что плюс один сантиметр к диаметру колеса – это минус 1% от общего числа сопротивления качению.
Если хотите, чтобы мощность вашего двигателя израсходовалась на то, чтобы придавать вашему авто нужное ускорение, тогда вам нужно выбрать правильный протектор колеса. Запомните, что чем глубже протектор на покрышке, тем больше величина сопротивления. Поэтому, когда покрышки уже изрядно износятся, сопротивления качению может упасть на целых 30% от первоначальной величины.
Также всегда обращайте внимание на давление воздуха в покрышках. Помните, что приспущенное колесо неправильно прилипает к дороге и неравномерно распределяет давление. В результате в автомобиле сильно ухудшается сцепление с дорожным полотном и падает управляемость. Кроме того, при езде на плохо накаченных шинах приводит к тому, что сами шины быстро нагреваются, деформируются. При этом, увеличивается сопротивление качению, увеличивается расход топлива и сами покрышки быстрее изнашиваются.
Минимальное сопротивление качению шины
Скажем сразу, что избавиться сопротивления качению шины нельзя исходя из законов физики. Но раз его нельзя полностью устранить, его можно попробовать свести к минимуму. Как мы уже выяснили, сопротивление качения шин вызвано гистерезисом. Чтобы минимизировать его влияние можно спроектировать покрышку таким образом, чтобы ее протектор был как можно меньше. Минусом такого подхода будет очень малый срок службы покрышки.
Второй способ более технологичен, ведь он требует разработки качественно новых материалов для шин. Покрышки из таких материалов получат снижение сопротивления качению благодаря тому, что они будут устойчивыми к выработке тепла и их протектор будет иметь минимальный прогиб во время сцепления с дорожным покрытием. Современные шины с низким сопротивлением качению используют именно второй подход.
Сопротивление качению шин и экономия топлива
Итак, если просуммировать все вышесказанное, можно сказать, что если мы выберем шины, у которых коэффициент сопротивления качению довольно низкий, то мы сможем больше мощности двигателя перенаправить на увеличение скорости или поубавить газ для экономии топлива. В целом, такое предположение вполне обосновано.
Чтобы проверить эту теорию на практике ученые из автомобильной индустрии провели ряд независимых тестов. В них использовались покрышки, у которых снижения сопротивление качению достигло 10-12 % по сравнению с обычными шинами. При этом, использовались шины от разных производителей. Само тестирование проводилось на гоночном треке на специальном спортивном седане. Во время теста автомобиль проехал около 400 км с несколькими заправками.
В результате тестирования ученые выяснили, что использование шин с низким сопротивлением качения позволило снизить расход топлива на 6 процентов по сравнению с обычными покрышками. В целом, это не очень большое преимущество. Но если брать в пересчете на годовой запас топлива, то может получить довольно неплохая экономия семейного бюджета.
Кроме того, в отчете исследования сказано, что на размер экономии топлива будет влиять не только коэффициент сопротивления качения покрышек, но и стиль вождения, качество дорожного покрытия и общее техническое состояние автомобиля. Поэтому, сам факт того, что вы обули ваше авто в покрышки с низким сопротивлением качения, еще не гарантирует вам того, что вы сможете получить достаточную экономию топлива 🙂
Коэффициент сопротивления качению. Выбор шин
Давайте поговорим о выборе новой «обувки» для своей машины. Если автомобиль более-менее новый, то главным критерием для покупки обычно становится марка и модель покрышки, которой он был укомплектован на конвейере.
Качество современных автомобильных шин определяют такие параметры, как коэффициент сопротивления качению, управляемость авто на мокром и сухом покрытии, тормозные свойства, показатели аквапланирования новой покрышки и ее стойкость к износу, шумность, пробег, цена, комфорт.
Однако проблема в том, что для разных участников авторынка — автопроизводителей, продавцов шин и водителей, покупающих шины на вторичном рынке — эти параметры имеют разные приоритеты.
Кому что нравится
Не секрет, что каждый автопроизводитель предъявляет к покрышкам, предназначенным для первоначальной комплектации авто свои требования. При этом они отнюдь не являются универсальными — у разных компаний они могут существенно отличаться.
Например, один автопроизводитель выдвигает очень жесткие требования к коэффициенту сопротивления качению, прямо влияющему на экономичность авто, у другого они будут существенно мягче. Одна компания чрезвычайно требовательна к параметрам аквапланирования изношенной шины, а для другой они не критичны. При этом требования, предъявляемые к покрышке для вторичного рынка, также будут другими.
Объясняется это просто: автомобиль, прежде всего, нужно продать, поэтому характеристики всех его компонентов подчинены единой цели. Потребителю нужен автомобиль с низким расходом топлива — вот вам новые экономичные двигатели и шины с пониженным коэффициентом сопротивления качению. Важен комфорт — вот удобный салон, энергоемкая подвеска и малошумные шины. Таким образом, каждый элемент формирует представление об автомобиле как о едином целом.
А на вторичном рынке потребитель руководствуется какими-то своими предпочтениями, часто совершенно отличающимися от представлений автопроизводителей. Например, согласно маркетинговым исследованиям, для конечного потребителя очень важны цена и дизайн покрышки.
Одна во многих лицах
Таким образом, чтобы соответствовать различным требованиям, шины не могут иметь одни и те же параметры, а, следовательно, будут разными. То есть размеры, дизайн и название будут одинаковыми, но конструктивно, хоть и незначительно, шины будут отличаться. Например, иметь разную радиальную или диагональную жесткость, другой наполнитель протектора и, возможно, несколько измененный рисунок протектора. Скажем, немного смещенные блоки, увеличенное количество ламелей.
Однако, по мнению производителей, на ощущениях конечного пользователя эти изменения никак не скажутся. Ведь в любом случае это будут хорошие, качественные покрышки, хотя и с акцентом на какие-то «свои» параметры.
Впрочем, при поставках на конвейер важно выдержать заданные параметры на всем массиве шин. При этом вполне удовлетворительным считается, если у 10% произведенных шин характеристики не будут соответствовать всем требованиям автопроизводителей. Вот эти 10%, (это не брак!) и попадают на вторичный рынок.
В то же время, если вторичный рынок требует большего, то производится дополнительное количество шин, чтобы удовлетворить спрос. Для вторичного рынка производится спецификация максимально приближенная к требованиям рынка.
Качение шины
Радиус качения
При качении шина подвергается действию центробежных сил. Величина центробежных сил зависит от скорости качения, массы и размеров шины. Под действием центробежных сит шина несколько увеличивается по диаметру. Испытания показали, что при качении шины со скоростью 180—220 км/ч высота профиля увеличивается на 10—13% (результаты испытаний шин на шоссейно-кольцевых мотоциклетных гонках).
Одновременно действие центробежных сил вызывает (за счет увеличения радиальной жесткости шины) некоторое увеличение расстояния от оси колеса до опорной поверхности (плоскости дороги) с одновременным уменьшением площади контакта шины с дорогой. Это расстояние называется динамическим радиусом шины Rо, который больше, чем статический радиус Rс, т. е. Rо>Rc.
Однако при эксплуатационных скоростях движения Rо, практически равен Rс.
Радиусом качения называется отношение линейной скорости движения колеса к угловой скорости вращения колеса:
где Rк — радиус качения, м;
V — линейная скорость, м/с;
w — угловая скорость, рад/с.
Сопротивление качению
Рис. Качение шины по твердой поверхности
При качении колеса по твердой поверхности каркас шины подвержен циклическим деформациям. При входе в контакт шина деформируется и прогибается, а при выходе из контакта — восстанавливает свою первоначальную форму. Энергия деформации шины, образующаяся при входе элементов в контакт с поверхностью, расходуется на внутреннее трение между слоями каркаса и проскальзывание в зоне контакта. Часть этой энергии превращается в тепло и передается окружающей среде. Вследствие потерь механической энергии скорость восстановления первоначальной формы шины при выходе элементов шины из контакта меньше скорости деформации шины при входе элементов в контакт. В силу этого нормальные реакции в зоне контакта несколько перераспределяются (по сравнению с неподвижным колесом) и эпюра распределения нормальных сил принимает вид, как показано на рисунке. Равнодействующая нормальных реакций, равная по величине радиальной нагрузке на шину, перемещается вперед по отношению к вертикали, прохооящей через ось колеса, на некоторую величину а («снос» радиальной реакции).
Момент, создаваемый радиальной реакцией относительно оси колеса, называется моментом сопротивления качению:
При условии установившегося движения (при постоянной скорости качения) ведомого колеса действует момент, уравновешивающий момент сопротивления качению. Этот момент создается двумя силами — толкающей
силой Р и горизонтальной реакцией дороги X:
М = XRд = PRд,
где Р — толкающая сила;
X — горизонтальная реакция дороги;
Rд — динамический радиус.
PRд = Qa — условие установившегося движения.
Отношение толкаюшей силы Р к радиальной реакции Q называется коэффициентом сопротивления качению k.
На коэффициент сопротивления качению кроме шины значительное влияние оказывает качество дорожного покрытия.
Мощность Nк, затрачиваемая на качение ведомого колеса, равна произведению силы сопротивления качению Рс на линейную скорость качения V:
Раскрывая это уравнение, можно написать:
Nк = N1 + N2 + N3 — N4,
где N1 — мощность, затрачиваемая на деформацию шины;
N2 — мощность, затрачиваемая на проскальзывание шины в зоне контакта;
N3 — мощность, затрачиваемая на трение в подшипниках колеса и сопротивление воздуха;
N4— мощность, развиваемая шиной при восстановлении формы шины в момент выхода элементов из контакта.
Потери мощности на качение колеса значительно возрастают с увеличением скорости качения, так как в этом случае возрастает энергия деформации и, следовательно, большая часть энергии превращается в тепло.
При увеличении прогиба резко возрастает деформация каркаса и протектора шины, т. е. потери энергии на гистерезис.
Одновременно увеличивается теплообразование. Все это, в конечном итоге, ведет к увеличению мощности, затрачиваемой на качение шины.
Испытания показали, что на качение мотоциклетной шины в условиях ведомого колеса (по гладкому барабану) затрачивается мощность от 1,2 до 3 л. с. (в зависимости от размера шины и скорости качения).
Таким образом, общие потери от шин весьма значительны и соизмеримы с мощностью двигателя мотоцикла.
Совершенно очевидно, что решение вопроса снижения мощности, затрачиваемой на качение мотоциклетных шин, имеет исключительное значение. Уменьшение этих потерь не только увеличит долговечность шин, но значительно увеличит моторесурс двигателя и агрегатов мотоцикла, а также положительно скажется на топливной экономичности двигателей.
Исследования, проведенные при создании шин типа Р, показали, что потери мощности при качении шин этого типа значительно меньше (на 30—40%), чем у шин стандартной конструкции.
Кроме того, снижаются потери при переводе шин на двухслойный каркас из корда 232 КТ.
Особенно важно максимально снизить потери мощности при качении шин для гоночных мотоциклов, так как при их движении на высоких скоростях потери в шинах составляют до 30% по отношению к общим затратам мощности на движение. Один из методов снижения этих потерь — применение в каркасе гоночных шин капронового корда 0,40 К. Применив такой корд, уменьшили толщину каркаса, снизили вес шины, она стала более эластичной, менее подверженной нагреву.
Большое влияние на коэффициент сопротивления качению шины оказывает характер рисунка протектора.
Для уменьшения энергии, образующейся при входе элементов в контакт с дорогой, максимально снижена масса протектора гоночных шин. Если у дорожных шин глубина рисунка протектора находится в пределах 7—9 мм, то у гоночных шин она составляет 5 мм.
Кроме того, рисунок протектора гоночных шин выполняют таким образом, чтобы его элементы оказывали наименьшее сопротивление при качении шины.
Как правило, рисунок протектора шин переднего (ведомого) и заднего (ведущего) колес мотоцикла различен. Это объясняется тем, что назначение шины переднего колеса — обеспечение надежной управляемости, а заднего колеса — передача крутящего момента.
Наличие кольцевых выступов на шинах передних колес способствует снижению потерь при качении и улучшает управляемость и устойчивость, особенно на поворотах.
Рис. Кривые зависимости потерь мощности от скорости качения: 1 — шина размера 80-484 (3,25-19), модели Л-130 (дорожная); 2 — шина размера 85-484 (3,25-19) модели Л-179 (для заднего колеса шоссейно-кольцевых мотоциклов)
Зигзагообразный рисунок протектора заднего колеса обеспечивает надежную передачу крутящего момента и также снижает потери на качение. Все вышеизложенные меры позволяют в общем существенно снизить потери мощности при качении шин. На графике показаны кривые изменения потерь мощности при различных скоростях для дорожных и гоночных шин. Как видно из рисунка, гоночные шины по сравнению с дорожными имеют меньшие потери.
Рис. Появление «волны» при качении шины на критической скорости: 1 — шина; 2 — барабан испытательного стенда
Критическая скорость качения шины
Когда скорость качения шины достигает некоторого предельного значения, потери мощности на качение резко возрастают. Коэффициент сопротивления качению увеличивается примерно в 10 раз.
На поверхности беговой дорожки шины появляется «волна». Эта «волна», оставаясь неподвижной в пространстве, перемещается по каркасу шины со скоростью ее вращения.
Образование «волны» приводит к быстрому разрушению шины. В зоне протектора-каркаса резко увеличивается температура, так как внутреннее трение в шине становится более интенсивным, и уменьшается прочность связи между протектором и каркасом.
Под действием центробежных сил, значительных по величине при высоких скоростях качения, происходит отрыв участков протектора или элементов рисунка.
Скорость качения, при которой появляется «волна», считается критической скоростью качения шины.
Как правило, при качении на критической скорости шина разрушается после пробега 5—15 км.
При увеличении давления в шине критическая скорость увеличивается.
Однако практика показывает, что во время ШКХ скорость движения мотоциклов на некоторых участках на 20—25% превышает критическую скорость шин, определенную на стенде (при качении шины по барабану). При этом шины не разрушаются. Это объясняется тем, что при качении по плоскости деформация шины меньше (при одинаковом режиме), чем при качении по барабану, а следовательно, критическая скорость выше. Кроме того время движения мотоцикла со скоростью, превышающей критическую скорость шин, незначительно. При этом шина хорошо охлаждается встречным потоком воздуха. В связи с этим технические характеристики шин спортивных мотоциклов, предназначенных для ШКГ, допускают кратковременное превышение скорости в определенных пределах.
Качение шины в условиях ведущего и тормозного колеса. Качение шины в условиях ведущего колеса происходит при приложении к колесу крутящего момента Мкр.
Схема сил, действующих на ведущее колесо, приведена на рисунке.
Рис. Схема сил, действующих на шину ведущего колеса при качении
К колесу, нагруженному вертикальной силой Q, приложен крутящий момент Мкр.
Реакция дороги Qp, равная по величине нагрузке Q, смещена относительно оси колеса на некоторое расстояние а. Сила Qp создает момент сопротивления качению Мс:
Крутящий момент Мкр создает тяговую ситу Рт:
где Rк— радиус качения.
При качении шины в условиях ведущего колеса под действием крутящего момента происходит перераспределение касательных сил в контакте.
В передней по направлению движения части контакта касательные силы увеличиваются, в задней — уменьшаются. При этом равнодействующая касательных сил X равна тяговой силе Рт.
Мощность, затрачиваемая на качение ведущего колеса, равна произведению крутящего момента Мкр на угловую скорость Wк вращения колеса:
Это уравнение справедливо только в том случае, когда в контакте отсутствует проскальзывание.
Однако касательные силы вызывают проскальзывание элементов рисунка протектора относительно дороги.
В силу этого действительная величина скорости поступательного движения колеса Уд несколько ниже теоретической Vт.
Отношение действительной скорости поступательного движения Vд к теоретической Vт называется коэффициентом полезного действия колеса, учитывающим потери скорости на проскальзывание шины относительно дороги.
Величину проскальзывания а можно оценить по следующей формуле:
Очевидно, значение действительной скорости Vд может меняться в пределах от Vт до 0, т. е.:
Интенсивность проскальзывания зависит от величины касательных сил, определяемых в свою очередь величиной крутящего момента.
Ранее было показано:
Mкр = XRк;
Х = Рт = Qv,
где v — коэффициент сцепления шины с дорогой.
При увеличении крутящего момента до некоторого значения, превышающего критическое, величина равнодействующей касательных сил X становится выше допустимой и шина полностью проскальзывает относительно дороги.
Cуществующие мотоциклетные шины в диапазоне рабочих нагрузок могут передавать без полного проскальзывания крутящий момент 55—75 кгс*м (в зависимости от размера шины, величины нагрузки, давления и т. д.).
При торможении мотоцикла силы, действующие на шину, по характеру аналогичны силам, возникающим при работе шины в условиях ведущего колеса.
При приложении к колесу тормозного момента Мт в зоне контакта происходит перераспределение касательных сил. Наибольшие касательные силы возникают в задней части контакта. Равнодействующая касательных сил по величине и направлению совпадает с тормозной силой Т:
При увеличении тормозного момента Мт выше некоторого критического значения тормозная сила Т становится больше силы сцепления шины с дорогой (T>Qv) и в контакте начинается полное проскальзывание, наступает явление юза.
При торможении на юз в зоне контакта повышается температура протектора, падает коэффициент сцепления, резко увеличивается износ рисунка протектора. Эффективность торможения уменьшается (увеличивается тормозной путь).
Наиболее эффективное торможение происходит при значениях тормозной силы Т, близкой по величине силе сцепления шины с дорогой.
Следовательно, при использовании водителем динамических качеств мотоцикла в целях уменьшения износа шин к ведущему колесу должен подводиться крутящий момент, обеспечивающий наименьшее проскальзывание шины относительно дороги.
Основные эксплуатационные характеристики шин
Таблица 7.2
В таблице 7.2 показан пример изменения тормозного пути автомобиля в зависимости от состояния дорожного покрытия, тормозной путь легкового автомобиля с начальной скоростью 80 км/ч увеличился с 28 м — на сухой дороге до 252 м — на обледенелой. А на влажном льду эти показатели вдвое хуже. К этому можно добавить, что слой грязи и пыли на сухой дороге может действовать как смазка, ухудшающая сцепление.
Для шин, эксплуатируемых в зимнее время года, сцепление улучшают за счет правильного выбора конструкции шины, рисунка протектора (в том числе с шипами) и рецептуры (см. параграф 4.7.1).
При качении колеса эластичная шина деформируется, стремясь в зоне контакта принять форму более твердой дорожной поверхности. При этом происходят деформации материалов шины, которые в площади контакта сопровождаются местными проскальзываниями элементов рисунка протектора относительно дороги. Проскальзывание измеряется разностью между скоростью автомобиля и линейной скоростью вращения колеса. Степень проскальзывания заметно влияет на коэффициент сцепления шины с дорогой. Нарис. 7.21 показано изменение коэффициента сцепления в зависимости от степени суммарного продольного и бокового проскальзывания шины и состояния дорожного покрытия. На графике нулевая точка соответствует перекатыванию протектора по дорожному покрытию (как гусеница); уровень проскальзывания 100% соответствует полной блокировке колес
(юзу). Максимальное значение коэффициента сцепления при прочих равных условиях достигается при проскальзывании в диапазоне от до 30 % и зависит от состояния дорожного покрытия. Современные электронные системы ABS и ESB призваны автоматически регулировать режим торможения при оптимальном проскальзывании, обеспечивающий в реальных дорожных условиях использование максимально возможной силы сцепления. При этом ограничиваются непродуктивные более высокие степени проскальзывания и, соответственно, снижается износ рисунка протектора. Однако на гладкой обледенелой поверхности эти системы практически бесполезны.
На влажной и мокрой поверхности коэффициент сцепления существенно снижается с ростом скорости (рис. 7.22) [2]. Сцепление шины с сухой дорогой сравнительно мало зависит от скорости и определяется в первую очередь типом дорожного покрытия и свойствами резины протектора. Сцепление тем выше, чем больше площадь контакта шины с дорогой. Этим объясняется некоторое увеличение коэффициента сцепления на сухой дороге у шины с изношенным рисунком протектора по сравнению с новой (верхний график): в основании рисунка площадь его выступов несколько больше.
На мокрых дорогах сцепление определяется гидродинамическими свойствами пленки воды между шиной и дорогой (рис. средний и нижний графики) и способностью рисунка протектора выдавливать и удалять жидкость из зоны контакта узкими прорезями,впитывающими влагу, и открытыми канавками, служащими для отвода воды
из зоны контакта (см. параграф 4.7.1). При малой скорости движения и тонкой водяной пленке на поверхности мокрой дороги вода почти полностью выдавливается и отводится из плоскости контакта выступов рисунка протектора с полотном дороги (рис. 7.23, а), коэффициент сцепления не намного меньше, чем на сухой дороге (рис. 7.22, начало среднего графика).
С увеличением толщины слоя воды и скорости движения резко растет объем воды, подлежащей вытеснению, удаление ее из зоны контакта затрудняется (рис. 7.23, б). Фирма Michelin назвала количество воды, необходимое для вытеснения при скорости 80 км/ч, — это приблизительно 25 л/с. Не всякая шина способна поглотить такое количество воды! Отвод воды из зоны контакта протектора с дорожным покрытием особенно затруднен у низкопрофильных и широкопрофильных шин, отличающихся относительно широкой беговой дорожкой протектора.
С увеличением водяного слоя и скорости падает коэффициент сцепления. При этом в отличие от сухой дороги с ростом скорости падение тем больше, чем больше износ рисунка протектора, так как сокращается объем углублений рисунка и, соответственно, их способность поглощать и отводить влагу. В примере, приведенном на нижнем графике рис. толщине слоя воды 6 мм и остаточной глубине
рисунка протектора 1,5 мм (немногим меньше допустимого предела 1,6 мм) при скорости около 80 км/ч коэффициент сцепления снижается до 0 и возникает аквапланирование.
По мере повышения скорости перед шиной образуется утолщение водяной пленки — водяной клин, затем объем клина увеличивается, шина не успевает отводить всю воду, клин постепенно задвигается под шину, соприкасается с дорогой лишь часть выступов рисунка по плечам
и на выходе в задней части пятна контакта. С возрастанием скорости этот контакт все больше и больше утрачивается. По достижении критической скорости водяной клин полностью задвигается под шину, колесовсплывает, автомобиль не слушается руля. Возникает катастрофическая ситуация, похожая на танец на льду, поэтому аквапланирование называют также скольжением по воде. Фотографии пятна контакта сделаны снизу через стеклянную плиту, покрытую слоем воды толщиной 5 мм при проезде по ней автомобиля с различными скоростями.
На рис. 7.25 показан пример определения критической скорости по степени скольжения переднеприводного колеса: при 80 км/ч неизношенная шина достигла предельного значения проскальзывания — 15% и полностью утратила контакт с дорогой.
Значения критической скорости современных моделей шин находятся в пределах 92 — 98 км/ч (рис. 7.26). Для шин с изношенным рисунком критическая скорость, примерно, на 30 км/ч меньше.
Влияние глубины рисунка протектора шины на величину критической скорости, при которой возникает аквапланирование при разной толщине водяной пленки, было показано на рис. 7.22.
Величина критической скорости аквапланиро-вания зависит также от внутреннего давления в шине. Скорость вхождения шины в аквапланирование уменьшается при снижении давления, так как при этом снижается удельное давление в пятне контакта шины с дорогой, особенно по центру беговой дорожки <см. рис. 7.14, б). В результате на мокрой дороге водяной клин легче задвигается под шину, значительно понижается уровень критической скорости, при которой шина всплывает (рис. 7.27).
Особенно коварно поперечное аквапланирова-ние при маневрировании на мокрой дороге: под воздействием силы бокового увода (рис. 2.1, 7.19 и 7.20) шины передней и задней осей внезапно теряют контакт с дорогой, автомобиль заносит, он становится полностью неуправляемым. Наиболее тяжелые условия — гладкий тающий лед при температуре около О °С, покрытый водяной пленкой, и слашпленинг (снежно-водяная каша,рис. 7.28).
Среди многочисленных требований, предъявляемых шине, безопасность при аквапланировании является одним из наиболее важных. Производители шин ставят эту проблему во главу угла. Однако не существует шин, обеспечивающих полную безопасность от наступления явления аквапланирования. Поэтому независимо от квалификации водителя для избежания явления аквапланирования, он должен соблюдать следующие правила:
7.7. Нормы допустимого Допустимый износ протектора ре-износа протектора гламентируют размером остаточной
высоты выступов рисунка протектора, по достижении которой шина должна сниматься с транспортного средства.
Остаточная высота рисунка протектора, ниже которой рисунок теряет свои свойства и дальнейшая эксплуатация шины становится опасной, в большинстве стран определяется законодательно. В России для шин легковых автомобилей — 1,6 мм, для шин грузовых автомобилей — 1,0 мм, для шин автобусов и троллейбусов — 2,0 мм, для шин мотоциклов и мопедов — 0,8 мм. Однако эти нормы обеспечивают безопасность лишь на сухой или слабо увлажненной дороге с твердым покрытием. Для мокрого дорожного полотна они не приемлемы. На рис. 7.29 показан пример существенного увеличения тормозного пути на влажной дороге по мере износа рисунка протектора. Тормозной
путь легкового автомобиля при снижении скорости со 100 до 60 км/ч в случае предельно допустимого износа протектора с остаточной высотой рисунка 1,6 мм достигает 80 м, т.е. в полтора раза больше, чем в случае новых шин с неизношенным рисунком высотой 7 мм.
По мере износа рисунка протектора его элементы во время качения, в момент контакта с дорожным покрытием при торможении, деформируются в меньшей степени. Чем больше глубина рисунка протектора, тем более он энергоемок, тем более эффективно торможение. По мере износа рисунка протектора уменьшается объем деформируемой резины и снижается сопротивление качению: до 3% на каждый миллиметр износа, соответственно снижается эффективность торможения (в случае одинаковой площади контакта с дорожным покрытием).
В международной практике устанавливают дифференцированные допуски на износ протектора (рис. 7.30). Известные авторы [2] рекомендуют для гарантии безопасности легковых автомобилей в летних условиях не допускать эксплуатацию шин с оставшейся глубиной рисунка менее 2 мм, а широкопрофильных шин — 3 мм. Зимние шины теряют свои ходовые качества на снегу при глубине рисунка менее 4 мм. В Австрии на некоторых горных дорогах предельный износ рисунка протектора зимой установлен 4,5 мм.
Учитывая важность своевременного обнаружения критического уровня износа для безопасности движения, канавки рисунков современных шин в нескольких сечениях по окружности имеют специальные мостики — индикаторы износа (рис. 7.31). Если по мере износа протектора на каком-то его участке высота рисунка сравнялась с индикатором, то шина должна быть заменена.
Э = СШ/QL+CT/Q,
где: Сш — сумма стоимости шины и затрат на ее ремонты; Q — грузоподъемность шины;
L — пробег шины до списания (с учетом пробега после ремонта); Ст — стоимость топлива на 1 км пути для компенсации потерь качения в шине.
7.12. Оценка качества шин Рассмотренные в настоящем параграфе эксплуатационные характеристики шины предъявляют к ней противоречивые, порой взаимоисключающие требования, которые условно можно объединить в две основные антагонистичные категории:
— требования безопасности движения, включающие высокие показатели сцепления с дорогой, торможения, устойчивости и управляемости при маневрировании, особенно зимой;
— экономичность и охрана окружающей среды, в том числе низкие сопротивление качению и теплообразование, высокие максимально допустимые скорости и износостойкость, минимальный уровень вредных выделений в окружающую среду.
Вторая группа требований обеспечивается при минимальном поглощении шиной подводимой к ней энергии, а первая группа — наоборот.
Для определения эксплуатационного качества шины в целом используют сумму баллов оценки каждой из ее эксплуатационных характеристик с учетом коэффициентов их значимости. При этом обычно используют 100-балльную систему оценки (таблица 7.3.). Для объ
ективной оценки качества каждой модели шины проводят серию испытаний по каждой из ее эксплуатационных характеристик, представляющие собой весьма трудоемкие и дорогостоящие программы. Заманчиво применение единого комплексного показателя, характеризующего технический уровень шины.
Уникальная чувствительность величины сопротивления качению шины к ее конструктивным особенностям, свойствам использованных материалов, к уровню качества изготовления (однородности и наличия скрытых внутренних дефектов), а также к условиям эксплуатации, делает этот показатель привлекательным для его использования в качестве комплексной оценки и нормирования в будущем технического уровня новой шины. Европейский союз, как заявлено в Директиве и некоторые другие государства рассматривают возможность введения норм на сопротивление качению шин. Кроме того, улучшение международного сотрудничества увеличивает потребность обмена опытом по вопросу о сопротивлении качению шин (неофициальный Документ GRRF-56-24). Сторонники такого подхода ведут исследования с целью усовершенствования или разработки новых методов оценки коэффициента сопротивления качению шин, способных более полно и адекватно отразить многообразие режимов качения и нагружения шины в процессе испытаний и обработки их результатов.
же каждая шинная компания находит свой компромисс между уровнем сопротивления качения шины и другими ее потребительскими и прочностными характеристиками. Шина, превосходящая другие по показателю потерь на качение, может оказаться не лучшей по другим характеристикам и в целом уступать по комплексу эксплуатационных показателей. Из таблицы 7.3, приведенной из американского журналаConsumer Report, который регулярно тестирует шины, популярные на потребительском рынке, можно почерпнуть сведения о характеристиках ряда шин. Как видно из таблицы, в первой пятерке лучших по всему комплексу свойств только шина Michelin (2-е место) имеет отличные результаты по сопротивлению качению. А шины фирмы Sumitomo — тоже великолепные по этому показателю — в целом признаны экспертами журнала худшими из представленных моделей из-за плохих характеристик сцепления на заснеженной дороге и торможения на льду.
Фирма Continental возражает против возможного введения требований Европейского союза по сопротивлению качению. Глава правления фирмы в Ганновере Манфред Веннемер считает, что эксплуатационные характеристики шины должны быть хорошо сбалансированы, а введение норм на сопротивление качению приведет к ухудшению других характеристик. Компания аргументирует свою позицию приведенной иллюстрацией (рис. 7. 39). При торможении со скорости 100 км/ч на мокрой дороге тормозной путь автомобиля на шинах с хо
Таблица 7.3
рошо сбалансированными свойствами составил 72 м. В то же время автомобилю на шинах, конструкция которых сфокусирована на снижении сопротивления качению, потребовалось до полной остановки 80 м, а через 72 метра торможения его скорость еще составляла около 35 км/ч [25].
С другой стороны, достижения фирмы Michelin демонстрируют высокий уровень свойств практически во всем спектре эксплуатационных показателей. Специальная научно-исследовательская программа фирмы Michelin призвана в течение следующих лет снизить по
тери на качение в шинах на 50%, что позволит на 10% сократить расход топлива автомобилем без потери качества по другим параметрам[25].
Возможно, точку в этом споре сможет поставить лаборатория которая получила недавно от правительства штата Калифорния 400 млн долларов на разработку совокупного показателя экономичности
Европейский союз планирует ввести в качестве обязательного сопроводительного документа на шины специальный ярлык, из которого наглядно будет видно, как три потребительских качества — топливная экономичность, сцепление с мокрой дорогой и уровень шума — сочетаются в конкретной модели шины [10]. Проект такого ярлыка показан на рис. 7.40 [20]. Как видно из рисунка, уровень характеристик предполагается оценивать буквами — от А до G и цветом — от зеленого до красного. Обозначение А и зеленый цвет соответствуют лучшим показателям, тогда как G и красный цвет — худшим. Уровень шума предполагается указывать в децибелах и, в скобках, буквами, аналогично двум другим показателям, но без выделения цветом.