Силы, влияющие на долговечность

Хотя шины действуют в качестве упругой прокладки между автомобилем и дорогой, неровности, присутствующие на большинстве дорог, передают силы, которые заметны автомобилисту и могут привести к циклическим нагрузкам и усталости компонентов подвески. Особенности дорожных неровностей, которые имеют типичную длину того же порядке, что и длина пятна контакта шины (например, гудронные полосы, дефекты в бетонных поверхностях, выбоины), порождают силы, которые зависят от способности шины охватить их. Поскольку эти силы, особенно относящиеся к столкновениям с выбоинами, могут быть большими по величине, и, таким образом, значительно повлиять на усталость и долговечность автомобиля, их часто называют силами, влияющими на долговечность (durability forces).

Гладкая дорожная поверхность для свободно катящейся шины выглядит как плоская и создаёт преимущественно вертикально действующие к шине силы. Даже на высокой скорости вертикальные воздействия меняются очень медленно по величине по отношению ко времени, которое требуется шине для продвижения на длину своего пятна контакта. Однако, когда колесо наезжает на резкий разрыв в дорожной поверхности, такой как край выбоины, эти силы могут заметно меняться, так как неровность проходит через пятно контакта. Во время этого процесса создаются динамические вертикальные и продольные силы. Форма и величина воздействующих сил зависит от характеристик и механики шины.

Поведение шины при прокате по дорожным разрывам изучались путём анализа поведения шины на изменяемых с небольшим шагом дорожных подъёмах [14]. (В теории, форма любой неровности может быть аппроксимирована разумно выбранным сочетанием небольших скачков.) Чтобы понять её поведение, механистически шину можно рассматривать как набор радиальных пружин (иногда моделируемый со стоящими параллельно с каждой пружине демпферами), находящийся в контакте с поверхностью. Когда колесо наезжает на перепад вверх на поверхности дороги, вертикальные и продольные силы на шине будут резко меняться, как показано на Рисунке 10.27.

Рис. 10.27. Вертикальные и продольные силы, действующие на шину и создаваемые перепадом на дороге.

Так как шина контактирует с передним краем неровности, вертикальная сила начинает расти из-за впадины в протекторе. Сила возрастает более или менее непрерывно, пока на неровность не переместится всё пятно контакта. Так как это происходит на высокой скорости, ось, на которой смонтирована шина, не в состоянии отреагировать и сдвинуться вверх за время, необходимое всему пятну контакта на движение по неровности. Таким образом, происходит увеличение вертикальной нагрузки, примерно равное высоте неровности, умноженной на вертикальную жёсткость шины.

Встреча с неровностью в результате действия нескольких механизмов также создаёт продольную силу. Чтобы шина могла подняться на неровность, требуется продольная сила. Эта сила должна быть предоставлена ​​осью, таким образом, когда шина впервые сталкивается с краем неровности, она испытывает отрицательную (в направлении, противоположном движению) силу. После наезда на неровность увеличенная вертикальная нагрузка приводит к увеличению сопротивления качению шины, так что продольная сила не сразу возвращается к своему первоначальному значению, а должна подождать, пока ось не приспособится к новой высоте, представляющей собой баланс вертикальных сил.

На высокой скорости также работает второй механизм. Из-за изменения эффективного радиуса шины на неровности, она должна начать вращаться с новой скоростью в соответствии со своей скоростью движения вперёд. При меньшем радиусе шина должна увеличить скорость своего вращения. Это достигается созданием силы сдвига в пятне контакта, которая в конечном счёте уравновешивается противоположной силой, действующей на ось. Чтобы увеличить скорость вращения шины, на ось накладывается вторая компонента отрицательной силы. Скорость, с которой шина поднимается на неровность, значение, до которого она должна ускориться, и величина создаваемой продольной силы зависят от скорости движения колеса. Таким образом, эта компонента продольной силы зависит от скорости движения.

Когда колесо встречается с выбоиной в дорожном покрытии, создаются аналогичные силы, отличающиеся только направлением действия. То есть выбоина приводит к уменьшению вертикальной силы и создаёт импульсную силу на ось в направлении вперёд.