В статье рассматриваются вопросы теплового воздействия на шину и влияние на ее эксплуатационные свойства. Исследование поверхностной температуры может применяться с целью дефектоскопии.Для получения данных был произведен эксперимент с последующим расчетом. В ходе анализа использованы как созданные в Волгоградском государственном техническом университете программные средства, так и статистические пакеты, а также табличный процессор MS Excel, что позволяет автоматизировать значительную часть расчетов. Сделаны выводы, что увеличение нагрузки на колесо способствует повышению температуры пневматической шины, а также установлены основные причины выхода из строя шин.
Ключевые слова: механические свойства, тепловое состояние, показатели шин, деформация.
Тепловое состояние шины в эксплуатации оказывает существенное влияние на ее работоспособность, так как влияет на механические свойства резины, ее прочностные характеристики, создает дополнительное термонапряженно-деформированное состояние, приводит к изменению внутреннего давления, формирует процессы деградации материала. Увеличении температуры шины свыше 90°С прочность капронового корда снижается на 25 %, а связь резины с кордом уменьшается в 2 раза. Нагрев автомобильной шины формируется в результате преобразования в тепло части механической энергии при переменном деформировании полимерных материалов конструкции и трении о дорожное полотно.
Для изучение данной характеристике предлагается экспериментальный подход, в рамках которого строится возможные решения установления теплового состояния в шине. В соответствии с целью, поставленной в настоящей работе: исследовать тепловое излучение деформирование шины при характерных режимах её силового нагружения:
– исследовать величины общей деформации оболочки шины относительно обода в окружном, радиальном и боковым под действием вертикальной, продольной и боковой сил;
– экваториальную и меридиональную деформации наружного слоя беговой дорожки при её качении.
Объект исследования: радиальные шины, применяемые на легковых автомобилях.
Материал и методы
Тепловое состояние шины в процессе движения определяется её размерами, геометрией рисунка протектора, упругими, гистерезисными и тепловыми характеристиками исходных материалов, а также внутренним давлением, вертикальной нагрузкой, скоростью, температурой окружающей среды и дороги, тепловыми характеристиками, шероховатостью и влажностью опорной поверхности. В свою очередь неустановившееся тепловое состояние зависит от времени качения в данном режиме эксплуатации. Температура оказывает большое влияние на сопротивление качению и на срок службы шины.
Нагрев шины при ее качении происходит в основном в результате трения в материалах шины, поскольку потери на трение между частицами воздуха в шине ничтожно малы. Механическое и молекулярное трение между структурными элементами покрышки преобразуется в тепловую энергию, а трение о дорожное покрытие — также в тепло и износ протектора.
Температура в той или иной точке шины преимущественно определяется на основе баланса между количеством тепла, создаваемого в данной точке в каждую единицу времени, и возможностью отвода этого тепла.
Если разделить шину на сектора — немного большие, чем сектор, охватывающий пятно контакта шины с дорогой, то можно увидеть, что тепло выделяется в каждом секторе шины. Это происходит циклически только в небольшой промежуток времени, когда сектор приближается и проходит пятно контакта с дорогой. Затем каждый сектор остывает, передавая тепло окружающему воздуху до нового приближения к пятну контакта с дорогой.
В тех местах профиля шины, где толще резина и значительнее деформация, выделяется больше тепла. На температуру в данной точке шины оказывает также влияние теплообразование в смежных точках. Во время работы шина имеет различную температуру в каждой точке своего профиля. В начале движения колеса выделенное тепло идет на нагрев тела шины и частично рассеивается в окружающей среде. По мере дальнейшего движения температура шины повышается, и происходит перераспределение тепла между различными зонами профиля шины.
Были проведены эксперименты с помощью тепловизора. Объектом исследования был автомобиль Renault Duster, снабженный шинами 215/65R16. Исследования производились при движении автомобиля Vср = 20 с последующей остановкой км/ч при средней температуре окружающего воздуха tср = -4 °С.
Результат
Динамика нагрева шин в зависимости от времени эксплуатации при движении автомобиля.
Рис. 1. Тепловое излучение колеса спустя 30 минут в движении
Таблица 1
Температурные значения колеса
|
Время в движение Строение колеса |
0 |
15 |
30 |
|
Шина |
-4 |
1 |
5 |
|
Протектор |
-4 |
4 |
9 |
|
Тормозной диск |
-4 |
8 |
30 |
|
Суппорт |
-4 |
12 |
33 |
|
Диск |
-4 |
5 |
14 |
Основное теплообразование в шине происходит в зоне её контакта с опорной поверхностью. На элемент шины в такой зоне действуют максимальные величины и скорости изменения нормальной, тангенциальной и боковой деформаций. Установлено, что наибольшее количество теплоты, отнесённое к единице объёма шины, выделяется в середине брекерного слоя шины и на его краях, а общая величина теплообразования в шине распределяется по её основным элементам следующим образом: протектор — около 50 %; каркас — от 12 до 33 %; брекерный слой — от 7 до 15 %; боковины и примыкающий к ним борт — от 5 до 25 %.
Рис. 2. Температурные изменения шины и диска
Рис. 3. Температурные изменения тормозного диска и суппорта
Рис. 4. Температурные изменения диска
Обсуждение
Анализируя работу, можно отметить, что увеличение нагрузки на колесо способствует повышению температуры пневматической шины. Так, при фиксированном значении эксплуатационной скорости с увеличением нагрузок на 2 кН температура шины изменяется незначительно. Основными причинами выхода из строя шин, являются повышенные нагрузки, нестабильный режим вождения (с частыми остановками, притормаживанием и разгонами), состояние дорожного покрытия, физико-механические характеристики резинокордного материала и временный показатель шины (чем старее шина, тем выше ее температура).
Заключение
Результаты работы показывают направления и величины рассеяния энергии в частях колеса. Они могут служить для поиска конструктивных путей улучшения тормозной динамики автомобиля за счет оптимизации мест установки исполнительных тормозных механизмов и их охлаждения.
Литература:
1. Белкин, А. Е. Динамический контакт шины как вязкоупругой оболочки с опорной поверхностью при стационарном качении / А. Е. Белкин, Н. Л. Нарская // Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. — 1997. — № 1. — С. 62–73.
2. Индейкин, Б. А. Современная аппаратура и методы исследования теплового состояния пневматических шин / Б. А. Индейкин [и др.]. — Москва: ЦНИИТ Энефтехим, 1979. — 67 с.
3. Никитина, Л. Б. Теоретическое и экспериментальное исследования температурных полей пневматических шин: автореф. дисс.... канд. техн. наук / Л. Б. Никитина. — Днепропетровск: ДГУ, 1971. — 20 с.
4. Глускина, Л. С. Исследование тепловых режимов работы автомобильных шин в дорожных условиях: автореф. дисс.... канд. техн. наук / Л. С. Глускина. — Москва: НИИШП, 1981. — 25 с.
5. Качугин, В. Е. Аналитическое исследование теплового состояния катящейся пневматической шины: автореф. дисс.... канд. техн. наук / В. Е. Качугин. — Москва: МВТУ им. Н. Э. Баумана, 1975. — 16 с.
6. Новопольский, В. И. Комплексная методика лабораторных испытаний автомобильных шин / В. И. Новопольский, В. Ф. Евстратов, С. Л. Левин // Труды НИИ шинной промышленности. — М.: Госхимиздат, 1957. — Сб. 3. С. 106–121.
7. Качугин, В. Е. Аналитическое исследование теплового состояния катящейся автомобильной шины / В. Е. Качугин // Температурные режимы шин в процессе их производства и эксплуатации. — Красноярск: КПИ, 1970. — С. 310–320.
