Особливості зношування гумових деталей.

 

В автомобілі використовується велике число деталей з гуми (сальники, прокладки, шини), основними з який є шини. Витрати на шипи складають значну частку (до 10%) у собівартості перевезень. Тому підтримка шин у технічно справному стані з мінімальними витратами є однієї з важливих задач технічної експлуатації автомобіля. У процесі експлуатації, у міру зносу протекторів змінюються робочі характеристики шин. Для найбільш повного їхнього використання в заданих умовах експлуатації необхідно знати закономірність зносу шин у залежності від пробігу автомобіля, гранично припустиму величину зносу.

Інтенсивність зміни технічного стану шин при сталих умовах і режимі роботи автомобіля залежить від сил взаємодії шини з дорогою, температури шини, технічного стану агрегатів автомобіля й у свою чергу впливає на інтенсивність зміни технічного стану силових агрегатів трансмісії. Так, незбалансованість коліс підвищує знос і шин, і трансмісії, тиск повітря в шині впливає на динамічне навантаження, що приходиться на кріплення агрегатів, на витрату палива. Інтенсивність зношування протектора залежить не тільки від.пробігу автомобіля і режиму його роботи, але і від стану середовища. З параметрів останньої найбільший вплив на інтенсивність зношування роблять величина і твердість абразивних часток дорожнього покриття й особливо температура протектора. Коефіцієнти впливу розподіляються в такий спосіб: температура – 2,25, швидкість – 1,75, тиск у шині – 1,5, сходження і розвал – 1,37, навантаження – 1,2.

Температура протектора залежить від температури навколишнього повітря і режиму роботи шини (швидкості відносного переміщення, навантаження). Температура протектора і повітря в шині, а отже, і тиск у шині підвищуються зі збільшенням швидкості руху. Так, в автомобіля ГАЗ-24 тиск у шині підвищується на 40% при зміні швидкості з 50 до 90 км/ч.

Аналітичну форму залежності температури шини від параметрів механічного впливу можна установити на основі диференціального рівняння теплового балансу. Загальна кількість теплоти q, що приходиться на одиницю зміни швидкості відносного переміщення шини витрачається частково на нагрівання шини, а частково переходить у навколишнє середовище, у диск колеса через повітря і зону контакту шини з дорогою. Кількість теплоти в шині залежить від її теплоємності c_ш, зміни температури Δt шини, а кількість теплоти, поглиненого навколишнім середовищем – від площі охолодження F шини, коефіцієнта ψ тепловіддачі при зміні температури і швидкості на одиницю виміру, різниці температур t шини і t₀ середовища і величини зміни швидкості dv обертання колеса:

 .

З приведеного рівняння можна одержати залежність температури шини від швидкості руху автомобіля:

чи

де ; ; v – швидкість качіння шини, v₀= 0.

Параметри t₀, t₁, b визначають при наявності даних про швидкість руху і температурі шини.

Швидкість руху автомобіля, тиск у шині і навантаження на нее впливають насамперед на роботу деформації шини. При цьому потужність витрачається на пружну деформацію і на внутрішнє тертя, що перетворюється в теплоту (необоротні втрати). У випадку збільшення навантаження при незмінному чи тиску ж зменшенні тиску при постійному навантаженні підсилюється деформація шини, а отже, і її нагрівши особливо в зоні з найбільшою товщиною стінок і величиною деформації (у зонах корони по краї бігової доріжки).

При качінні колеса температура навантаженої шини підвищується під дією зовнішнього тертя в зоні контакту з дорогою і внутрішнім тертям у процесі деформації. Можна аналітично обґрунтувати зміна температури шини в залежності від сили. тертя. З диференціального рівняння балансу теплоти, що виділилася за одиницю часу при терті і пішла на нагрівання шини і навколишнього середовища,

 ,

 де τ – тривалість роботи; видно, що підвищення температури шини

 ,

при інших однакових умовах пропорційно кількості теплоти, що утворилася за одиницю часу в процесі тертя Δt=t-t₀=c·q, що підтверджується експериментально.

Зі зміною температури повітря, а отже, і температури шини, змінюється міцність шинних матеріалів:

Температура,	°C	……..	50	100	150	200
Міцність,	Н·105/м2	……..	270	216	162	103

Припустимим вважається нагрівання шин до температури +100°С. Температура +120°С є критичної. При такій температурі міцність шини в цілому на розрив знижується приблизно на 40%, а протектора – у 4 рази. При роботі шини максимальна температура розвивається між брокером і протектором шини у внутрішнього заднього колеса. Для шини 260—508Р моделі И-61138 ця температура при 80 км/год складає 100°С, при 60 км/год – 80°С (температура навколишнього повітря 18±2°С). У зовнішнього заднього колеса вона менше на 10°С, а в переднього – на 20°С.

Температура поверхні шини на виході з зони контакту її з дорогою істотно залежить від типу дорожнього покриття, а також від умов руху автомобіля і може досягати 400–600°С. Глибина прогрівання шини мала. Уже на глибині 0,025–0,03 мм від поверхні бігової доріжки шини зміни її температури за рахунок тепловиділення в зоні контакту не спостерігається. Уся теплота, що виділилася, приділяється в навколишнє середовище за один оборот колеса. Кількість теплоти, переданої протектором шини навколишньому середовищу (на стенді), складає 60–75% від той, що утворюється в шині.

Температура підвищується внаслідок пружного гістерезіса і залежить від радіальної деформації шини, що експоненціально убуває з підвищенням внутрішнього тиску.

У визначених умовах експлуатації температура характеризує напруженість елементів даної шини. Так, при підвищенні швидкості качения шини 260–508 (Q=1860 кг, q=0,6 МПа) від 20 до 100 км/год температура центра брекера підвищується з 50 до 120°С, а кута брекера – з 60 до 140° С, при цьому тепловий потік спрямований назовні й усередину шини. У зоні боковини тепловий потік спрямований від повітря усередині шини через боковину й обід у навколишнє середовище.

Зміна температури протектора впливає на міцність шинних матеріалів, довговічність шин.

Залежність інтенсивності зношування від температури в зоні контакту може бути виражена напівемпіричною формулою

 ,

де α₁₀₀ – інтенсивність зношування при 100°С и v=1 м/с; n=1,5.

Таким чином, температура на поверхні тертя є одним з основних факторів, що визначають інтенсивність зношування гуми і її руйнування. Амортизаційний пробіг шини при температурі середовища 18°С складає 105% від пробігу при 22° С; при 24° С – 95%, а при 30° С – 81%.

В умовах середньої смуги при експлуатації автомобілів в осінньо-зимовий період пробіг шин до руйнування на 25–30% вище, ніж навесні і влітку (див. також табл.7,8).

Ці дані можна апроксимувати рівнянням типу , де n>1.

 

Таблиця 7.

Температура, °C	Швидкість автомобіля, км/год			Температура, ºC	Швидкість автомобіля, км/год
	40	60	60		40	50	60
4,4	100	120	150	26,7	340	380	430
15,6	190	225	260	37,7	500	560	650

 

Оскільки залежність інтенсивності зношування від температури по експериментальним даної статечна, а від тиску на поверхні чи тертя від сили тертя лінійна (  ) і під дією сили тертя температура підвищується пропорційно (  ), те .

У приведених формулах з, з₁, з₂, з₃ – коефіцієнти пропорційності.

Цей висновок добре підтверджують експериментальні дані, отримані в НАМИ.

При дослідженні зносу шин одноосьового причепа зі сходженням коліс у межах 0–85 мм залежність інтенсивності зношування протектора шин від сходження коліс мала вид (у кг/1000 км):

 ,

 де γ – сходження коліс, мм; з – коефіцієнт.

За результатами досліджень, залежність інтенсивності зношування протектора від температури навколишнього повітря, а отже, і від температури шини – нелінійна. Форму залежності краще апроксимувати такою математичною моделлю, у якій кожен параметр має фізичний сенс і постійну розмірність, наприклад, чи параболою експонентою:

 .

Стосовно до табл.7 у цій формулі α₀ відповідає інтенсивність зношування при 0°С. Можна зробити висновок про те, що інтенсивність зношування від швидкості також експоненціально зростає. Строго говорячи,

чи, якщо для спрощення математичної моделі з достатньою точністю прийняти лінійну залежність між температурою і швидкістю руху, то , а довговічність

 ,

де l₀ – довговічність шини, приведена до моменту початку зміни швидкості руху, тобто при Δv=0.

Залежність довговічності шини від зміни тиску в зоні контакту з дорогою аналогічна розглянутої (див. табл. 8).

Таблиця 8.

Нагрузка	Долговечность		Максимальное давление, %	Нагрузка	Долговечность		Максимальное давление, %
	Расчетная	Фактическая			Расчетная	Фактическая
100	100	100	100	160	62,5	42	238
120	84	76	131	180	55,5	30	333
140	71,5	58	172	200	50	24	412