Шина/колесо в сборе

В идеале, шина/колесо в сборе является мягким и гибким для того, чтобы поглощать дорожные удары, как часть системы изоляции дорожных неровностей. В то же время в идеале оно вращается без биений, не создавая вибраций транспортного средства. На практике же несовершенство при производстве шин, колёс, ступиц, тормозов и других частей вращающихся деталей может привести к неоднородностям трёх основных типов:

1)    Дисбаланс масс
 

2)    Изменения размеров
 

3)    Изменения жёсткости

Все эти неоднородности объединены в сборке шины/колеса, заставляя её испытывать изменения в силах и моментах в основании, так как она вращается [10]. Они, в свою очередь, передаются на ось транспортного средства, и выступают при езде в качестве источников возбуждения вибраций [11]. Изменения сил могут быть в вертикальном (радиальном) направлении, продольном (тяговом) направлении, или поперечном направлении [12]. Изменения моментов в направлении опрокидывающего момента, выравнивающего крутящего момента и момента сопротивления качению обычно не являются значимыми в качестве источников возбуждения колебаний при езде, хотя они могут способствовать вибрациям рулевого управления.

Дисбаланс происходит от неравномерного распределения массы в отдельных компонентах механизма вдоль или вокруг оси вращения [14]. Асимметрия относительно оси вращения наблюдается как статический дисбаланс. Полученный эффект является силой вращения в плоскости колеса с амплитудой, пропорциональной дисбалансу массы, расстоянию от центра вращения и квадрату скорости вращения. Поскольку вращение происходит в плоскости колеса, эта сила производит и радиальные, и продольные возбуждения. Сила дисбаланса определяется формулой:

Fi = (m r) ω2

(5-5)

где:

Fi = Сила дисбаланса

m r = Величина дисбаланса (масса, умноженная на радиус)

ω = Скорость вращения (радианы/секунду)

Неоднородное и асимметричное распределение массы вдоль оси вращения вызывает динамический дисбаланс [14]. Динамический дисбаланс создаёт момент вращения на колесе, проявляясь как изменения в опрокидывающем моменте и выравнивающем крутящем моменте на частоте вращения колеса. Динамический дисбаланс является наиболее важным на управляемых колёсах, которые в результате возбуждения могут испытывать вибрации управления. Статический дисбаланс может существовать в отсутствие динамического дисбаланса, и наоборот. Шины, колёса, ступицы и тормозные барабаны, всё это может способствовать эффектам дисбаланса.

Шина, будучи упругим телом, аналогичным набору радиальных пружин, может показывать изменения жёсткости вдоль своей окружности. Рисунок 5.5 показывает такую модель шины. Длина несжатых пружин определяет габаритные неоднородности (свободное радиальное биение), а различия в их длине при сжатии при номинальной нагрузке определяет неоднородности при качении (радиальное биение при полной загрузке).

Рис. 5.5. Радиальная пружинная модель шины.

Габаритные биения в колесе или ступице, на которой смонтирована шина, не вызывают изменения жёсткости напрямую, но могут способствовать наблюдаемым свободным биениям или радиальным биениям при полной нагрузке.

Значительное влияние неоднородностей сборки шины/колеса оказывается через генерацию сил возбуждения и смещения на оси транспортного средства, так как колесо вращается. Возбуждающая вибрации сила наблюдается, когда колесо катится при постоянном радиусе и скорости, и повторяется с каждым оборотом колеса [15].

Колебания радиальных сил, измеренные при постоянном радиусе, обычно принимают вид, показанный на Рисунке 5.6. Величина изменения сил от пика к пику называется "изменением равнодействующей силы". Особенности этой силы могут быть описаны более подробно амплитудой гармоник, из которых она состоит. То есть с помощью преобразования Фурье [1] может быть определён состав сигнала в виде ряда синусоидальных волн на основной и каждой кратной частоты. Основной интерес обычно сосредоточен на амплитуде каждой гармоники. Хотя для восстановления исходного сигнала также должен быть известен фазовый угол каждой гармоники, информация о фазовом угле, похоже, не имеет большого отношения к езде [16].

Рис. 5.6. Изменение радиальной силы шин.

Первая гармоника изменения радиальной силы, как правило, меньше, чем у равнодействующей, а гармоники высокого порядка, как правило, имеют уменьшающуюся амплитуду. Для шин легковых автомобилей наблюдается снижение для каждой гармоники примерно на 30 процентов [15], с меньшим эффектом на высокой скорости. Биения ступицы и колеса также могут способствовать вариациям радиальной силы. Биение может быть определено количественно нахождением среднего радиуса точки за точкой двух посадочных полок обода колеса по окружности собранного колеса. Первая гармоника вариации силы, возникающей от этого источника, тесно связана с биением. На первый взгляд, можно было бы ожидать, что изменения силы должны быть равны биению, умноженному на жёсткость шины, смонтированной на колесе. Однако, эксперименты показали, что изменение силы составляет лишь около 70 процентов от этой величины, что свидетельствует, что шина частично маскируют биение колеса [17]. Высшие гармонические биения в колесе не так тесно связаны с вариациями радиальной силы в общей сборке.

Различные гармоники радиальных неоднородностей в механизме шины/колеса функционально эквивалентны дефектам формы, как показано на Рисунке 5.7.

Рис. 5.7. Радиальные неоднородности в шине.

1)Эксцентриситет (нецентрированность) - Шины, колёса и ступицы по отдельности могут проявлять радиальное биения, в результате которых первая гармоника неоднородности создаёт на оси как радиальные, так и тяговые вибрации. Поскольку в сборке есть одна высокая точка и одна низкая точка, такая вибрация происходит на скорости вращения колеса (10-15 Гц при нормальных скоростях движения). Общая величина неоднородности для сборки зависит от её величин в отдельных компонентах и ​​их относительных положениях в собранном механизме [11]. То есть эксцентриситет в одном компоненте может частично компенсировать его в других, когда высокие и низкие точки разных частей в сборке совпадают. Техника проворачивания шины на диске при балансировке на стенде ("match-mounting") широко используется при сборке шины/колеса для легковых автомобилей, чтобы свести к минимуму первую гармонику неоднородностей сборки. В таких случаях колёса могут быть специально изготовлены с эксцентриситетом, эквивалентным среднему радиальному биению при производстве шин, с которыми они будут использоваться. На шинах и колёсах отмечаются положения высоких/низких точек для облегчения поиска соответствия при монтаже.
 

2)Овальность - Шины и колёса могут иметь эллиптические отклонения, которые добавляются или вычитаются в зависимости от монтажных позиций [11], хотя проворачивание шины на колесе не практично для минимизации этой неоднородности. Поскольку сборка состоит из двух высоких точек и двух нижних точек на окружности, вибрация радиального и тягового усилия создаётся на удвоенной частоте вращения колеса (20-30 Гц при нормальных скоростях движения).
 

3)Радиальные колебания высокого порядка - Колебания третьего и более высокого порядка преимущественно важны только в шинах. Такие колебания в колесе в основном поглощаются шиной [13]. Третья гармоника аналогична шине треугольной формы, четвёртая гармоника соответствует квадратной форме, и так далее. Хотя шинам намеренно эти формы не придаются, эти эффекты могут возникнуть из методов сборки. Например, в шинах с четырьмя слоями тканевого материала перекрытия, связанные с каждым слоем, обычно распределены по всей окружности шины. Дополнительная жёсткость, созданная в каждой из позиций перекрытия, будет приводить к четвёртой гармонике изменения жёсткости и соответствующему изменению силы на четвёртой гармонике. Изменения силы действуют в радиальном направлении и направлении тягового усилия на нескольких скоростях колёс, эквивалентных номеру гармоники.

Поскольку величина изменения радиальной силы относительно независима от скорости, измерения изменений радиальной силы на низкой скорости при постоянном радиусе (этот метод широко используется производителями шин для контроля производства) показывают величину силы, стремящейся возбудить вибрации при езде. Со скоростью меняется только частота. Силу неоднородности можно рассматривать как прямое воздействие на ось. Для ясности следует отметить, что сила вибрации не эквивалентна изменению фактической силы, испытываемой осью, так как динамический отклик транспортного средства может значительно усиливать эти силы [10]. Тем не менее, измерение изменений радиальной силы, описанное выше, является надлежащим и действенным средством, чтобы охарактеризовать потенциальную радиальную вибрацию, связанную с неоднородностями в компонентах шин и колёс. В качестве альтернативы также обоснованы измерения радиального биения под нагрузкой, которые могут быть преобразованы в изменение радиальной силы простым умножением на коэффициент радиальной жёсткости шины.

Колебания тягового усилия возникают от габаритных и жёсткостных неоднородностей в результате двух эффектов. Эти причины лучше всего иллюстрируются рассмотрением простой нецентрированной модели колеса, как показано на Рисунке 5.8. С эксцентриситетом, даже при низкой скорости, ось должна катиться вверх и вниз по "холму", отражающему изменения радиуса колеса в сборе. Таким образом, вовлечены продольные силы и наблюдается изменение тягового усилия. Его величина будет зависеть от перевозимого груза и величины эксцентриситета [17]; однако, она не зависит от скорости.

Рис. 5.8. Изменения тягового усилия, связанные с неотцентрированным колесом.

С другой стороны, на высокой скорости колесо должно ускоряться и замедляться при совершении полного оборота из-за своего переменного радиуса. Таким образом, на основании, и, соответственно, в самом центре, должно проявиться тяговое усилие, чтобы создавать ускорение. Вполне разумно, что величина этой силы будет зависеть от свойств продольной жёсткости шины и вращательного момента инерции колеса. Кроме того, величина силы тяги, возникающей из этого механизма, будет меняться в зависимости от скорости, потому что ускорение зависит от скорости, как правило, увеличиваясь на коэффициент около 5 в диапазоне скоростей от 5 до 60 миль/ч. Таким образом, изменение тягового усилия в шине или шине/колесе в сборе может быть достоверно измерено только на высокой скорости, и свойства вращательной инерции колеса в сборе должны точно соответствовать таковым у реальных транспортных средств.

Колебания боковой силы могут возникнуть в результате неоднородностей в шине, но не могут быть легко связаны с эффектами бокового биения в колесе или компонентах ступицы. Они проявляют тенденцию зависеть от скорости, таким образом, измерения величин силы на низкой скорости также достоверны для высокой скорости [11]. Боковые колебания первого порядка в шинах или колёсах, или в способе, которым они установлены, вызовут раскачивание из стороны в сторону. Они будут влиять на динамическое равновесие сборки. Вихляние в колесе может способствовать незначительному изменению боковой силы, но также может привести к колебаниям радиального и тягового усилия, сравнимыми с влиянием овальности [11], потому что в ​​вертикальной плоскости колесо  станет эллиптическим.

Боковые колебания высокого порядка являются преимущественно важными только в шинах. Колебания колёс в значительной степени поглощаются шиной [11,13]. Эти источники потенциально могли бы привести к вибрации руля, но не были идентифицированы как причина проблем при поездке.

В общем, несовершенства в шинах и колёсах, как правило, тесно связаны [18,19], поэтому радиальные колебания обычно сопровождаются дисбалансом и колебаниями тягового усилия. Таким образом, часто может быть трудно избавиться от проблем при поездке, связанных c шинами, просто исправляя одно обстоятельство, такое как дисбаланс, без учёта других, вероятно присутствующих неоднородностей.

Для того, чтобы завершить обсуждение шины/колеса в сборе в качестве источника вибраций при поездке, следует признать, что сборка сама по себе является динамической системой, влияющей на вибрации, воспринимаемые осью (смотрите Главу 10). Влияние происходит от свойств модального резонанса сборки, в котором на низкочастотном конце доминируют резонансы бегового пояса шины. Способность резонировать делает сборку гасителем колебаний на определенных модальных частотах, хотя это подчёркивает передаваемость свойств на антирезонансных частотах [20]. В конечном счёте шина может сыграть значительную роль в шуме, вибрации и жёсткости (noise, vibration and harshness, NVH) автотранспортного средства, и в процессе проектирования ходовые свойства транспортного средства должны быть правильно отрегулированы, чтобы избежать различного жужжания и гула, который может быть вызван откликом шины.