Файл: Техническая эксплуатацияавтомобилейтеоретические и практические аспекты.pdf

По результатам ускоренных испытаний следует признать наи- более износостойким материал 3, а при условиях трения в режи- ме нормальной эксплуатации лучшим будет материал 2. В то же время некоторый материал 1 может оставаться худшим по изно- состойкости, как в условиях ускоренных испытаний, так и при нормальных режимах трения. Таким образом, переносить резуль- таты ускоренных испытаний износостойкости деталей на реаль- ные условия работы автомобилей весьма проблематично.
Особым этапом в процессе трения сопряженных поверхностей является период приработки, когда поверхности деталей, образо- ванные при их изготовлении, приобретают особую микрогеомет- рию, характерную для данных условий трения. В период приработ- ки (обкатки) режимы трения должны быть щадящими, что ис- ключает условия высокой интенсивности изнашивания и повы- шает общую долговечность деталей.
Следует иметь в виду, что обкатка имеет значение не только для трущихся деталей, но и деталей, подверженных усталостным разрушениям. Начиная работу с малыми амплитудами цикличес- ких нагрузок и перерывами «для отдыха» детали проходят этап
«тренировки», что существенно повышает их долговечность при последующей работе.
В настоящее время существуют перспективы создания условий для трения материалов за счет эффекта избиратель- ного переноса активных атомов меди (открытие Д.
Эффект достаточно хорошо проявляется при трении материалов в среде тяжелых спиртов и в
Ведутся разработки плакирующих смазок и присадок в масла.
Перспективными являются разработки присадок с керамичес- кими составляющими, которые высаживаются на поверхностях трения и за счет своей высокой износостойкости и термостойко- сти хорошо защищают трущиеся поверхности даже в условиях недостатка масла.
Качество и надежность автомобильных шин
Автомобильное колесо и шина в частности являются важны- ми элементами, влияющими на все основные эксплуатацион- ные показатели автомобиля: динамичность, проходимость, бе- зопасность, плавность хода и экономичность. Специфика авто- мобильной шины заключается в том, что она является продук- том другой отрасли, далекой от автомобилестроения. Но как эф- фективная техническая эксплуатация автомобиля невозможна без знания конструкции автомобиля, так и правильная эксплуата- ция шины невозможна без знания ее конструктивных особенно- стей. Для лучшего понимания процессов изменения эксплуата-
34
свойств автомобильной шины специалист должен пред- ставлять не только ее устройство, но и технологию изготовле- ния, что позволяет уверенно отличать производственные отказы шин от эксплуатационных.
Основными конструктивными элементами шины являются кар- кас из корда, бортовые кольца и резина с различным набором свойств, в зависимости от места ее расположения в шине. Мате- риалом корда является кордовая ткань, состоящая из параллель- но расположенных прочных нитей основы, переплетенных тон- кими нитями утка.
Нити основы могут быть вискозными, капроновыми, нейло- новыми и т.д. В качестве нитей может использоваться стальная проволока. Бортовые кольца на всех типах шин изготавливают из стальной проволоки, обеспечивающей надежное удержание шины на ободе.
Резина представляет собой смесь каучуков, вулканизирующих веществ (сера, селен и т.д.), веществ, ускоряющих вулканизацию
(окись цинка, щелочь и т.д.), усилителей (сажа, каолин и т.д.),
мягчителей (парафин, канифоль, и т.д.), противостарителей. Всего в состав резины может входить более 20 наименований количество которых определяется рецептурой резины, обеспечи- вающей получение определенных ее свойств, например резина,
используемая для протектора, должна быть устойчивой к износу,
резина слоя должна быть эластичной, резина, удер- живающая воздух, должна быть газонепроницаемая.
Резина приготавливается механическим перемешиванием вхо- дящих в нее компонентов путем многократного пропускания че- рез каскад шнеков и валков. Концентрация многих компонентов,
сильно влияющих на свойства резины, не превышает одного про- цента. Если смесь не будет тщательно перемешана или рецептура смеси не будет строго выдержана, то качество резины и шины будет низким.
Для воздухонепроницаемой резины используют особые виды каучука, после перемешивания смеси эта резина продавливается через сито, очищающее резину от посторонних частичек, кото- рые могут разрывать камеру или герметизирующий слой беска- мерной шины.
Обрезинивание кордовой ткани производят вдавливанием в нее с обеих сторон особой резины с хорошей адгезией к нитям корда путем прокатывания полотна ткани через специальные вальцы.
Далее кордовая ткань поступает в закройный цех, где из нее наре- зают заготовки каркаса шины.
Технология сборки шины существенно зависит от ее конст- рукции. Различают диагональные и радиальные шины. В радиаль- ных шинах нити корда, проходя от одного борта до другого,
располагаются в диаметральных плоскостях, т. е. имеют
• . -
35

ное направление. В диагональных шинах нити корда образуют с диаметральной плоскостью угол порядка 50°. Каркас диагональ- ной шины всегда имеет четное число слоев корда, послойно име- ющих зеркальное направление нитей. Наложенные друг на друга нити корда в просвете образуют ромбы (рис. 1.46, а). Ромб явля- ется легко деформируемой фигурой, что обеспечивает высокую эластичность шины. Однако пересекающиеся нити могут перети- рать друг друга, и для повышения прочности приходится в кар- кас вводить много слоев корда. Это утяжеляет шину, увеличива- ет потери при шины при ее каче- нии, вызывает нагрев шины и увеличение коэффициента сопро- тивления качению.
В радиальной шине нити каркаса не пересекаются друг с дру- гом, поэтому боковина может быть тоньше. В коронной части шины
(в зоне беговой дорожки) имеются пояса корда, нити которых расположены под углами, противоположными друг другу. При этом, как показано на рис. 1.46,
склеенные нити корда образу- ют в просвете треугольник. В отличие от ромба явля- ется «жесткой» фигурой, поэтому радиальная шина, оставаясь легко деформируемой в радиальном направлении, имеет плохо дефор- мируемую беговую дорожку под действием боковых сил. В силу всего этого радиальная шина имеет гораздо больший коэффици- ент сопротивления боковому уводу, меньше нагревается при дви- жении, имеет меньший коэффициент сопротивления качению. Од- нако технология изготовления радиальной шины существенно сложнее технологии изготовления диагональной шины.
Нити второго ч
ЧУЧУЧУ
ЧУЧУЧУ
У ЧУЧУ Ч
пояса
0
П.
S
ЧУЧУЧУ
Нити первого пояса
Рис
Расположение нитей корда в каркасах диагональной и радиаль- ной шин:
а — пересечение нитей шины с диагональным кордом, б — пересечение нитей шины с радиальным кордом в зоне беговой дорожки
36
Диагональная шина собирается на цилиндрическом барабане с горизонтальной осью
На барабан поочередно уклады- вают слои корда, обеспечивая равномерное расположение стыков по окружности, что гарантирует хорошую балансировку колеса.
Затем с краев образованного из корда цилиндра устанавливают бортовые кольца и оборачивают их кордом, загибая края цилинд- ра к его середине. После этого на каркас накладывают полосы резины соответствующего назначения на определенные участки.
Верхним слоем в середине цилиндра укладывается протекторная резина
После сборки заготовка снимается с барабана, внутрь ее уста- навливается специальная резиновая камера; при накачивании ка- меры воздухом серединная часть цилиндрической заготовки вы- двигается и она принимает тороидальную форму. Далее укладывается в варочную пресс-форму, после замыкания ее по- ловин в камеру, находящуюся внутри заготовки, подается под давлением перегретый пар. Резина наружной поверхности заго- товки вдавливается в пазы пресс-формы, что создает необходи- мый рисунок протектора и все предусмотренные надписи на бо- ковине покрышки. При нагреве пресс-формы происходит вулка- низация,
необратимый переход
«сырой» резины в эластичную резину с требуемыми рабочими свойствами.
При изготовлении радиальной шины из корда отдельно соби- рают каркас и кольцевой пояс дорожки шины (браслет).
После этого браслет надевают на каркас (начальный диаметр кар- каса равен диаметру обода), который поддувают до диаметра брас- лета; в таком состоянии проводят накладывание наружных слоев резины. Затем обычным образом проводят вулканизацию шины.
Такая процедура существенно усложняет технологию сборки.
Следует обратить внимание на что при несимметричном накладывании браслета беговая дорожка каркаса шины ется смещенной, это фактически меняет плечо обкатки (расстоя- ние от центра пятна контакта колеса с дорогой до оси шкворневой линии). Неравенство плеч у левого и правого колес может приводить к уводу в одну сторону. Если плос- кость браслета и беговой дорожки соответственно будет непер- пендикулярной оси шины, то колесо с такой шиной будет
«восьмерку». Поперечные колебания легковых автомоби- лей наблюдаются при небольших скоростях движения, когда час- тота вращения колеса «с восьмеркой» совпадет с собственной ча- стотой колебаний подрессоренных масс автомобиля в попереч- ном направлении. Упругим элементом колебательной системы яв- ляются шины, имеющие определенную жесткость в боковом на- правлении. В обоих случаях нарушений положения браслета шина после вулканизации внешне будет симметричной, и описанные дефекты визуально не определяются.
37

Таким образом, качество автомобильных шин зависит и от со- става резины, и от тщательности сборки. Если слои корда будут состыкованы неаккуратно, слои корда и резины будут плохо при- катаны и между ними будет оставаться воздух или водяной кон- денсат (в цехе сборки обычно большая влажность из-за утечек пара, используемого для вулканизации), то долговечность шины будет низкой. Несмотря на то, что по индивидуальному номеру шины может быть установлен ее сборщик, который несет персо- нальную ответственность за качество сборки, выпускаемые шины обычно имеют большой разброс по качеству и долговечности.
Под долговечностью автомобильных шин обычно понимают срок их службы и наработки до полного износа рисунка протекто- ра или выхода из строя из-за разрывов каркаса и расслоений. Име- ются данные, что по износу протектора выбывает из эксплуата- ции около 70 % шин, а по разрыву каркаса и другим эксплуатаци- онным повреждениям — около 30 % шин.
Разрушения каркаса и расслоения являются следствием уста- лости материалов, возникающей при многократно повторяющих- ся деформациях участков работающей шины. Накопление повреж- дений существенно возрастает при увеличении температуры, при- водящей к ослаблению связей между кордом и резиной. Темпера- тура шины, естественно, зависит от температуры окружающей среды и весьма существенно — от скорости движения и давления воздуха в шине. При низком давлении воздуха участки шины сильно деформируются, что сопровождается увеличением напряжений в материале шины и ее разогревом. При увеличении скорости движения автомобиля в шине возрастает выделяемая энергия. Поскольку теплопроводность материалов шины плохая,
теплопередача между шиной и воздухом при увеличении скорос- ти не позволяет отводить всю теплоту, и температура шины воз- растает.
Процесс трения и изнашивания рабочей поверхности протек- тора можно представить происходящим по трем последователь- ным этапам: образование фрикционных связей с поверхностью дороги; существование фрикционных связей при изменяющихся деформациях и развивающихся температурах; нарушение фрик- ционных связей и разрушение поверхности.
В общем случае различают пять видов нарушения фрикцион-
микрорезание, или которое наблюдается при нали- чии острых выступов на истирающей поверхности и больших кон- тактных давлениях, когда достигается предел прочности резины протектора. Отделение частичек резины происходит в результате однократного воздействия;
пластическое оттеснение, возникающее при контакте резины с тупыми выступами на истирающей поверхности при больших
38
нагрузках. Отделение частичек резины происходит при многократ- ных воздействиях;
усталостный износ, который наблюдается, когда поверхностный слой протектора упруго обтекает выступы истирающей поверхно- сти, а затем, при выходе протектора из контакта, восстанавливает свою форму. Число циклов до разрушения большое, оно зависит от величины действовавших напряжений и свойств резины;
адгезионный отрыв, обусловленный молекулярной составляю- щей силы трения на поверхности соприкосновения. Адгезия, как правило, невелика по сравнению с объемной прочностью мате- риала, но она всегда сопровождает любой вид взаимодействия;
окислительный износ, происходящий при разрушении окисной пленки, как особым образом структурированной резины на по- верхности протектора. Окисленная пленка, обладающая меньшей эластичностью, чем нижележащий слой резины, при деформа- ции в зоне контакта с дорогой разрушается и отделяется от про- тектора.
При условиях нормальной эксплуатации из всех перечислен- ных видов износа превалирует усталостный износ шины. При боль- ших нагрузках и длительном скольжении резины в одном направ- лении на ее поверхности может образовываться «рисунок
— расположенные поперек траектории скольжения череду- ющиеся гребни и впадины.
Первичными проявлениями при таком износе являются разди- и трещины, возникающие в результате действия сил трения,
когда напряжения сдвига превышают прочность резины. Переме- щение слоев резины относительно истирающей поверхности и воз- никающие при этом силы сопровождаются автоколебаниями. Рези- на, особенно мягкая, как бы скатывается в валики. Истирание по- средством скатывания может происходить лишь в определенном сочетании внешних условий и свойств резины.
Следует помнить, что свойствами облада- ет только протекторная резина. После износа протекторного слоя на протяжении всего нескольких километров, особенно при вы- сокой температуре воздуха летом,
слой,
разрушаются нити корда и выдавливаемая в образовавшееся от- верстие камера, при этом шина отказывает с характерным хлопком.
Связь интенсивности износа шины и крутящего момента, воз- действующего на колесо, выражается степенной зависимостью с показателем степени 2 или 3. Таким образом, ведущие колеса при равных прочих условиях изнашиваются быстрее, чем ведомые. Из- нос шин автомобиля-тягача больше износа шин одиночного ав- томобиля.
Тормозной момент сильнее сказывается на износе шин, по- скольку при торможении трущиеся участки шины по времени находятся в контакте с дорогой дольше, чем при буксовании шины.
39

Нагрев участков шины будет больше, а соответственно и интен- сивность износа выше.
Увеличение боковой силы на колесо приводит к увеличению интенсивности износа шин примерно в квадратичной зависимо- сти. Возникновение боковых сил обусловлено не только попереч- ным наклоном дорожного полотна и силами,
действующими на автомобиль при поворотах, но и неоптималь- ными углами установки колес. Для автомобилей с независимой подвеской при поперечном расположении рычагов боковые силы могут возникать из-за кинематической несогласованности при вертикальных колебаниях автомобиля.
Замечено, что при переменных значениях сил в контакте шины с дорогой интенсивность износа шины больше, чем при работе шины с постоянно действующими силами. Наверное, это являет- ся следствием гистерезисных потерь энергии в материале шины,
что приводит к повышенной температуре и усталости резины.
Кроме того, при постоянном направлении действия сил наблю- дается эффект приработки. Это явление учитывается в процедуре перестановки колес, обеспечивающей одинаковый срок службы всех шин автомобиля. Ведущее колесо меняется местом с ведо- мым колесом таким образом, чтобы для шины направление ок- ружной силы в контакте с дорогой не менялось.
Увеличение радиальной нагрузки на шину сверх номинального значения имеет место при общей перегрузке автомобиля и при неправильном распределении груза по платформе, износ шины в этом случае увеличивается. Характер процесса изнашивания шины при большой радиальной силе сходен с процессом работы шины при пониженном давлении воздуха. Кроме того, при больших ра- диальных нагрузках возникают перенапряжения в нитях корда. На рис. 1.47 по данным разных авторов, испытывавших различные
80
Я
о
8
40 20
(
\
Ч
Ч
) 20 40 60 80 К
Превышение нагрузки, %
Рис. 1.47. Зависимость срока службы шины от радиальной нагрузки на колесо
40 100 80
)
60
§ 40 20 10
-20 -30 -40
Отклонение давления воздуха, %
-60
Рис. 1.48. Зависимость срока службы шины от давления воздуха в шине шины, усредненно представлена зависимость срока службы шины от радиальной нагрузки (в процентах превышения номинального значения нагрузки).
Как следует из графика, превышение нормальной нагрузки на колесо на 50 % сокращает срок службы шины примерно вдвое.
Специфическим вариантом радиальной перегрузки шины яв- ляются динамические нагрузки вследствие дисбаланса колеса.
Признаком несбалансированности колеса является пятнистый износ протектора шины. Дисбаланс колеса зависит как от самой шины, так и обода, и ступицы колеса.
Внутреннее давление воздуха в шине весьма существенно влияет на ее долговечность. Оптимальное значение давления воздуха уста- навливается заводом-изготовителем на основании доводочных ис- пытаний автомобиля с учетом требований управляемости, плавно- сти хода и долговечности самой шины. Усредненно влия- ния давления воздуха в шине на ее ресурс показан на рис. 1.48.
При снижении давления воздуха в шине увеличивается дефор- мация каркаса и за счет гистерезисных потерь повышается темпе- ратура шины при ее работе. Следствием этого является снижение прочности шинных материалов, возможны расслоения, перети- рания нитей корда. Износ протектора получается неравномерным
(больше изнашивается плечевая зона шины).
Повышение давления воздуха в шине сопровождается перенап- ряжением каркаса, возможным его разрушением. Протектор больше изнашивается в середине беговой дорожки, износ происходит быстрее, поскольку уменьшается площадь контакта колеса с до- рогой, и давление в зоне контакта увеличивается. Следует пони- мать, что для абсолютно эластичной шины давление колеса на опорную поверхность равно давлению воздуха в шине (по усло- вию статического равновесия). Принято считать, что увеличение или уменьшение давления воздуха на 10 % от нормы приводит к
41

уменьшению ресурса шины на 10 %. Установлено, что для переда- ющих касательные силы ведущих колес нарушение нормы давле- ния воздуха в шине сильнее влияет на ее ресурс.
Скорость движения автомобиля влияет на износ шин главным образом через увеличение температуры нагрева шины, в резуль- тате чего ухудшаются упруго-прочностные свойства резины про- тектора и уменьшается сопротивляемость резины истиранию. При больших скоростях на каркас шины начинают оказывать влияние центробежные силы и условия отвода теплоты от шины. Вслед- ствие этого радиальные бескамерные шины — более скоростные,
чем диагональные камерные. Кроме того, что при деформации шины происходит трение камеры о внутренние стенки шины и при этом выделяется дополнительная теплота, камера затрудняет отвод теплоты из внутренней полости шины к металлическому диску, обладающему хорошей теплопроводностью.
Скоростная шина должна иметь высокоэффективный герме- тизирующий внутренний слой и, наоборот, газопроницаемые слои каркаса, протектора, боковин и других участков шины. Это требование диктуется тем, что при неизбежном процессе дифун- дирования воздуха в герметизирующий слой и затрудненном выходе его из резины шины, воздух существенно ухудшает тепло- проводность шины, что ведет к ее большему нагреву. С целью об- легчения выхода воздуха из шины в ее наиболее массивной про- текторной части изготавливают специальные дренажные отвер- стия.
Температура окружающей среды, как и дорожные условия, не- сомненно, оказывают влияние на долговечность шин. На рис. 1.49
показан характер влияния температуры воздуха на интенсивность износа шин.
Минимум интенсивности износа шин обычно наблюдается в температурном диапазоне -5
°С. В какой-то мере на это ока- зывают влияние и дорожные условия, поскольку при такой тем- пературе дорога обычно бывает скользкой, как следствие, в кон-
5
О S
х s
о
-20 -15 -10 -5
О 5 10 15 20
Температура воздуха, °С
Рис. 1.49. Характер влияния температуры на интенсивность износа шины
42
такте шины с дорогой усилия малы, скорости движения неболь- шие. При повышении температуры интенсивность износа шины существенно возрастает.
Характер дорожного покрытия и рельеф дороги также суще- ственно влияют на износ и долговечность шин. Как показывает практика, на дорогах первой и второй категорий долговечность шин на больше этого показателя на дорогах третьей и четвертой категорий. При работе автомобилей в карьерных усло- виях, когда резко возрастает доля абразивного износа, пробег шин уменьшается в два раза и более. Ресурс шин на горных дорогах на ниже, чем на дорогах в равнинной местности. Напри- мер, если износ шин на дороге с асфальтобетонным покрытием принять за 100%, то на дороге с покрытием износ составляет с щебеночным —
с гравийным —
на профилированной грунтовой дороге —
По наблюдениям разных авторов для грузовых автомобилей удельный износ шин находится в пределах км,
износ шин прицепов обычно меньше —
км.
Удельный износ зависит от того, на каких колесах шины установ- лены. Для трехосных автомобилей часто износ шин заднего моста наибольший, а наименьший износ наблюдается у шин среднего моста. Следует учитывать, что передние колеса одиночные, а зад- ние — спаренные. Удельный износ достигает наибольшего значе- ния для новой шины, а по мере износа протектора удельный из- нос несколько уменьшается.
В зависимости от степени износа шин меняются эксплуатаци- онные характеристики колес и автомобиля в целом. Поскольку шины весьма разнообразны по конструкции, размерам, рисунку протектора, материалам, из которых они изготовлены, опубли- кованные численные результаты экспериментальных исследова- ний разных авторов могут существенно различаться. Тем не менее можно проследить общие закономерности изменения эксплуата- ционных показателей шин по мере их работы.
Изношенные шины оказывают меньшее сопротивление каче- нию автомобильного колеса. Это рстественно вытекает из того,
что по мере уменьшения толщины протектора уменьшаются гис- потери при деформировании слоев резины. Снижение коэффициента сопротивления качению проявляется в увеличе- нии свободного выбега автомобиля и снижении расхода топлива на 7... 12 %. Специальные шины Regroovable имеют начальную вы- соту протектора
15 мм (вместо 20 мм — у обычных шин грузо- вых автомобилей) и толстый слой протекторной резины, кото- рый по мере износа протектора прорезается специальным при- способлением для восстановления высоты рисунка протектора.
Имеются сведения, что такие шины позволяют в среднем эконо- мить топлива.
43