Жесткостные характеристики шины

Радиальная жесткость

При эксплуатации шина постоянно находится под действием радиальной нагрузки, причем для каждого размера шин существует максимально допустимая величина этой нагрузки. Под действием радиальной нагрузки шина деформируется. Величина деформации (прогиб) зависит от внутреннего давления, конструкции шины и материалов, из которых она изготовлена, т. е. от радиальной жесткости шины.

Рис. Нагрузочные характеристики шин: а — шина размера 80—405 (3,25—16) модели Л-133, (1 — р=1,5 кгс/см2; 2 — р=2,0 кгс/см2; 3 — р=2,5 кгс/см2; 4 — р=3,0 кгс/см2; 5 — р=3,5 кгс/см5); б — шина размера 10С—459 (3,75—18) модели Л-230; (1 — р=1,6 кгс/см2; 2 — р=1,4 кгс/см2; 3 — р=1,2 кгс/см2; 4 — р=1,0 кгс/см2; 5 — р=0,8 кгс/см3);

Зависимость прогиба от величины радиальной нагрузки на шину при постоянном внутреннем давлении называется нагрузочной характеристикой шины. На рисунке приведены нагрузочные характеристики мотоциклетных шин при различных значениях внутреннего давления.

Из графиков видно, что существует некоторая нелинейность изменения величины прогиба от нагрузки, особенно в начале кривой. Для правильного выбора режима эксплуатации шины большое значение имеет точность снятия нагрузочной характеристики. В эксплуатации величина прогиба в значительной степени определяет работоспособность и долговечность шины. При нормальной эксплуатации для шин определен некоторый оптимальный прогиб. Величина оптимального прогиба для шин диагональной конструкции находится в пределах 10—20% от высоты профиля шины и в каждом отдельном случае уточняется при проведении целого комплекса стендовых и дорожных испытаний.

Окружная жесткость

При трогании мотоцикла с места, а также при торможении, шины ведущего и тормозных колес подвержены воздействию крутящего или тормозного момента.

При действии на неподвижную шину, нагруженную вертикальной силой Q, крутящего момента Мкр, шина, являясь упругим элементом, закручивается относительно обода на некоторый угол ф.

Рис. Действие крутящего момента на неподвижную шину

При этом в контакте возникают касательные силы. Распределение касательных сил несимметрично относительно поперечной оси контакта. В передней части контакта касательные силы больше по величине, чем в задней части.

Равнодействующая касательных сил равна по величине тяговой силе Рм.

По мере увеличения крутящего момента Мкр возрастают касательные силы.

В начале нагружения шины крутящим моментом увеличение момента Мкр пропорционально увеличению угла закручивания ф.

При дальнейшем увеличении крутящего момента вследствие увеличения касательных сип начинается частичное проскальзывание элементов протектора относительно опорной поверхности.

Когда крутящий момент достигает некоторого критического значения, тяговая сила Рт становится больше силы сцепления шины с опорной поверхностью. Наступает полное проскальзывание в зоне контакта.

Способность шины сопротивляться закручиванию при действии крутящего момента называется окружной (тангенциальной) жесткостью шины. Окружная жесткость оценивается коэффициентом С, равным отношению крутящего момента к соответствующему этому моменту углу закручивания:

С = Мкр/ф, кгм/град, где С — коэффициент окружной жесткости.

Этот коэффициент может также оцениваться отношением тяговой силы Рм к величине перемещения центра контакта в направлении действия силы:

С = 2П*Pт*Rн*Rc / 3,6*b*10^6, кгм/град

где Рт — тяговая сила, кгс;
b — перемещение контакта, мм;
Rо — наружный радиус недеформированной шины, мм;
Rс — статический радиус, мм.

Испытания показали, что величина коэффициента окружной жесткости несколько увеличивается при повышении давления в шине и практически не зависит от радиальной нагрузки.

На рисунке даны кривые окружной жесткости шин различной конструкции.

Рис. Кривые окружной жесткости шин: 1 — шина диагональной конструкции;, 2 — шина типа Р

Окружная жесткость шин типов Р и PC несколько ниже, чем у шин обычных конструкций.

Более низкая окружная жесткость шин типов Р и PC благоприятно сказывается на работе трансмиссии мотоцикла, так как позволяет более плавно трогаться с места. Кроме того, у шин с пониженной окружной жесткостью менее интенсивно происходит увеличение касательных сил в контакте при увеличении крутящего момента.

В связи с этим проскальзывание элементов рисунка протектора в контакте уменьшается, а следовательно, уменьшается износ протектора.

Боковая жесткость

Одна из важных характеристик шины — ее способность деформироваться под действием боковой силы.

Боковая сила Рб, действующая вдоль оси неподвижного колеса, нагруженного вертикальной силой Q, вызывает смещение средней плоскости колеса относительно центра площади контакта на некоторое расстояние а. При этом площадь контакта, оставаясь симметричной относительно оси колеса, несколько изменяет свою форму. Касательные силы, действующие в контакте, также симметричны по отношению к оси колеса.

Рис. Действие боковой нагрузки на шину

Увеличение боковой силы Рб вызывает увеличение осевого смещения а, причем вначале эта зависимость имеет линейный характер. Одновременно с боковой нагрузкой увеличиваются и касательные силы. При некотором значении боковой силы в контакте возникает проскальзывание шины, которое постепенно увеличивается. Полное проскальзывание начинается, когда боковая сила становится больше силы бокового сцепления.

Способность шины сопротивляться воздействию боковой нагрузки называется боковой жесткостью шины. Боковая жесткость оценивается коэффициентом В, равным отношению боковой силы Рб к осевому смещению а:

В = Рб/а, кгс/мм

Боковая жесткость — важная характеристика шины, существенно влияющая на ее эксплуатационные качества. Боковая жесткость в значительной степени определяет устойчивость и управляемость мотоциклом, особенно при изменении направления движения.

Низкая боковая жесткость повышает чувствительность шины к воздействию боковых сил, т. е. даже незначительная по величине боковая сила вызывает ощущаемое водителем осевое (в направлении действия боковой силы) смещение плоскости колеса, а следовательно, всего мотоцикла относительно контакта шин с дорогой. Так как шина — упругий элемент, перемещения мотоцикла в поперечном направлении имеют знакопеременное направление. Возникают поперечные колебания мотоцикла, которые вызывают у водителя неуверенность при управлении, появляется ощущение, что шины «не держат дорогу».

Особенно заметно ухудшается устойчивость и управляемость при эксплуатации мотоцикла на шинах типов Р и PC, так как их боковая жесткость на 30—50% ниже, чем у шин обычной конструкции.

Исследования показали, что боковая жесткость шин зависит от их конструкции, величины внутреннего давления в шине, радиальной нагрузки, ширины обода и т. д.

Угловая жесткость

При приложении к неподвижному колесу, нагруженному вертикальной силой Q, момента Мр действующего в плоскости, перпендикулярной оси рулевой колонки мотоцикла, шина деформируется. При этом плоскость колеса поворачивается на некоторый угол Y по отношению к первоначальному положению.

Под действием момента в контакте возникают касательные силы. Эти силы в задней части контакта имеют несколько большую величину и направлены противоположно силам в передней части контакта.

Равнодействующие касательных сил создают момент сопротивления Мс, препятствующий деформации шины.

По мере увеличения приложенного к колесу момента Мр растут касательные силы, причем вначале деформация шины пропорциональна величине момента. При некотором значении момента равнодействующие касательных сил становятся больше сил сцепления, что приводит к частичному проскальзыванию элементов рисунка в зоне контакта. В первую очередь начинают проскальзывать элементы, расположенные в зоне наибольших касательных сил. В связи с этим происходит некоторое искажение формы контакта, а большая ось контакта отклоняется от своего первоначального положения на угол у'<у.

Рис. Действие угловой грузки на шину

При критическом значении величины момента, приложенного к колесу, наступает полное проскальзывание элементов рисунка протектора, наиболее удаленных от центра контакта.

Способность шины сопротивляться действию момента, создающего угловую нагрузку на шину, называется угловой жесткостью шины. Коэффициент угловой жестокости D равен отношению момента к углу поворота плоскости колеса:

D = Мр/л, кгм/град

Угловая жесткость так же, как и боковая, в основном влияет на управляемость мотоцикла с коляской, особенно при необходимости объезда на высокой скорости внезапно возникшего перед мотоциклом препятствия.

Величина угловой жесткости зависит от тех же параметров, что и боковая жесткость.