Рабочая и повышенная температура шины

При эксплуатации автомобиля шины, установленные на его колеса, катятся под нагрузкой. При этом происходит нагрев шин. Особенности этого процесса в этой статье описывают ученные из Волгоградского государственного технического университета и Махачкалинского филиала МАДИ.

Особенности нагрева покрышки

Нагрев шины при ее качении происходит в основном в результате трения в материалах шины, поскольку потери на трение между частицами воздуха в шине ничтожно малы. Механическое и молекулярное трение между структурными элементами покрышки преобразуется в тепловую энергию, а трение о дорожное покрытие – также в тепло и износ протектора.

Температура в той или иной точке шины преимущественно определяется на основе баланса между количеством тепла, создаваемого в данной точке в каждую единицу времени, и возможностью отвода этого тепла.

Если разделить шину на сектора – немного большие, чем сектор, охватывающий пятно контакта шины с дорогой, то можно увидеть, что тепло выделяется в каждом секторе шины. Это происходит циклически только в небольшой промежуток времени, когда сектор приближается и проходит пятно контакта с дорогой. Затем каждый сектор остывает, передавая тепло окружающему воздуху до нового приближения к пятну контакта с дорогой.

В тех местах профиля шины, где толще резина и значительнее деформация, выделяется больше тепла. На температуру в данной точке шины оказывает также влияние теплообразование в смежных точках. Поэтому во время работы шина имеет различную температуру в каждой точке своего профиля. В начале движения колеса выделенное тепло идет на нагрев тела шины и частично рассеивается в окружающей среде. По мере дальнейшего движения температура шины повышается, и происходит перераспределение тепла между различными зонами профиля шины.

Как посчитать количество тепла при нагреве шины

Количество тепла, создаваемого в единицу времени в той или иной точке шины, определяется видом трения, величиной и скоростью деформации, а также температурой окружающей среды.

Величина трения зависит от свойств материала и загруженности элементов шины. Более нагруженные элементы шины при своей работе выделяют и больше энергии. Молекулярное трение обычно меньше механического трения между отдельными элементами. В тех местах, где не обеспечено хорошее молекулярное сцепление между резиной и кордом, т. е. где преобладает механическое трение, там при работе шины наблюдается быстрое локальное повышение температуры.

Потери на трение возрастают с увеличением деформации шины и скорости движения автомобиля, но уменьшаются с увеличением температуры. Отвод тепла от шины осуществляется благодаря конвекции, теплопроводности и теплоизлучению. Он усиливается при обдуве шины ветром и увеличивается с ростом скорости обдува.

В нормальных условиях работы колеса основная часть тепла отводится от шины конвекцией в атмосферный воздух, и лишь около 15% – теплоотдачей в сухое дорожное покрытие. Соотношение между теплом, отводимым в воздух и дорогу, зависит от многих факторов. В первую очередь, это соотношение зависит от разности температур между поверхностью шины и дороги, а также количества тепла, выделяемого в результате трения в контакте.

Популярные бренды шин: Nokian, Michelin, Hankook.

От чего зависит температура шины

Зависимости температуры в точках поперечного сечения шины при качении ее по барабану с различными постоянными скоростями, приведены на рис. 1.

Температура шины при качении

Рис. 1. Зависимости температуры в точках поперечного сечения шины при качении ее по барабану с различными постоянными скоростями

Из рисунка 1 видно, что с повышением скорости в одних точках поперечного сечения шины температура увеличивается, а в других – уменьшается. При высоких скоростях движения колеса шина имеет максимальную температуру в сечении 1-3, расположенном посередине беговой дорожки протектора. Поэтому температуру шины оценивают либо средней температурой воздуха в шине, либо действительной температурой в заданной точке профиля шины. Последнюю измеряют обычными игольчатыми термопарами, специальными термисторами и тепловизорами.

Температура шины зависит от ее размера, температуры внешней среды, нагрузки, приходящейся на колесо, давления воздуха и скорости качения колеса. Влияют также конструкция шины, рисунок протектора и степень его износа, гистерезисные и тепловые характеристики шинных материалов, шероховатость. Не обходится без влияния ровности опорной поверхности дороги и интенсивность отвода тепла (обдува воздухом, движения по мокрой дороге, по снегу и льду и т.д.). Неустановившееся тепловое состояние шины, кроме того, зависит от времени качения в данном режиме.

Эксперименты и исследования

Экспериментальные зависимости температуры в различных точках камерной шины 8-15, от времени качения колеса по барабану с постоянной скоростью приведены на рисунке 2. На этом рисунке видно, что при скорости 160 км/ч температура в плечевой зоне протектора увеличивается до 135°С, а температура воздуха в камере примерно на 20°С ниже. Рост температуры продолжается приблизительно 10 минут, после чего она становится постоянной. Такой рост температуры, обусловлен высокой скоростью качения и быстрым разгоном барабана до этой скорости.

Нагрев шины при качении

Рис. 2. Экспериментальная зависимость температуры шины от времени качения колеса по барабану с постоянной скоростью 160 км/ч, нагрузке 600 кгс, давлении воздуха 1,7 кгс/м2 и температуре окружающего воздуха 38°С: 1 – температура протектора в плечевой зоне шины; 2 –температура воздуха в камере

В процессе эксплуатации шины редко достигают такой скорости и температуры. На рисунке 3а представлены эксплуатационные зависимости максимальной температуры воздуха внутри шины (для шин 11-12) от скорости при различной температуре окружающего воздуха, наличии или отсутствии ветра и различной нагрузке на шину.

Эксперименты проводились в лабораторных условиях при постоянном начальном давлении и двух значениях нормальной нагрузки (2 300 и 1 840 кгс). Испытания проводили при отсутствии обдува шины воздухом (кривые 1и 4),при обдуве шины, когда температура окружающей среды достигала 25°С (кривые 2и 6)и 5°С (кривые 3и 6).

Температура воздуха внутри шины

Рис. 3. Зависимости максимальной температуры воздуха внутри шины (для шин 11-12) от скорости:

а) – при различной нагрузке на шину и различной температуре окружающего воздуха, наличии или отсутствии обдува ветром, где: 1 – качение без ветра, Gк = 2300 кгс, температура воздуха 25ºС; 2 – тоже самое, но при ветре; 3 – при ветре, температура 5ºС; 4 – без ветра, Gк = 1840 кгс, температура 25ºС; 5 – тоже самое при ветре; 6 – тоже самое при температуре 5ºС;

б) – при различной слойности шины, где: 1 – при 14 слоях корда, 2 – при 12 слоях, 3 – при 10 слоях.

Выводы

Из рисунка 3а можно сделать следующие выводы:

– при одном и том же давлении воздуха уменьшение нагрузки на колесо на 20% значительно снижает температурный режим шины;

– снижение температуры окружающего воздуха даже на 20°С незначительно уменьшает температуру воздуха в шине;

– уменьшение нагрузки оказывает тем большее влияние на снижение рабочей температуры шины, чем выше скорость движения колеса;

– обдув шины ветром оказывает тем большее влияние на уменьшение ее температуры, чем больше она нагружена.

Из рисунка 3б видно, что чем больше слоев корда имеет покрышка, тем выше температура шины при той же скорости качения шины.

Таким образом, с повышением температуры шины все большее количество тепла рассеивается во внешней среде. После определенного времени движения колеса с постоянной скоростью шина приобретает такое распределение температуры, при котором устанавливается равновесие между притоком тепла и рассеиванием его во внешней среде. Наиболее высокая температура при этом наблюдается обычно в зоне брекера посередине беговой дорожки и в плечевых зонах шины.

Температура оказывает большое влияние на сопротивление качению и на срок службы шины. Повышение температуры шины приводит к существенному уменьшению гистерезисных потерь в ней. Это является положительным фактором с точки зрения уменьшения сопротивления движению. Зависимости коэффициента сопротивления качению и средней температуры шины от времени ее обкатки с постоянной скоростью показаны на рисунке 4.

Коефициент сопротивления качению

Рис. 4. Зависимость коэффициента сопротивления качению и средней температуры шины от времени ее обкатки с постоянной скоростью, где: 1 – 10 км/ч; 2 – 30 км/ч; 3 – 60 км/ч.

Данные для рис. 4 получены на барабанном стенде для шины, имеющей нагрузку 1200 кгс и давление воздуха 5,75 кгс/см2. Испытания проводили при трех различных скоростях движения от 10 до 60 километров в час. На рисунке видно, что коэффициент сопротивления движению колеса уменьшается с увеличением температуры шины тем интенсивнее, чем больше скорость автомобиля.

Повышение температуры приводит к уменьшению прочности резины и корда. При повышении температуры от нуля до 100°С прочность капронового корда снижается примерно на 20%, а прочность резины и связь ее с кордом – примерно в 2 раза. Поэтому выбору оптимальной температуры, обеспечивающей малое сопротивление движению колеса и высокий срок службы шины, необходимо уделять серьезное внимание.

Температура считается опасной, когда при ней происходит процесс вулканизации и девулканизации резины, т. е. резкое изменение механических качеств резины и корда. В катящейся шине допускается температура 100оС.

Температура от 100 до 120оС называется критической, а выше 120оС – опасной, поскольку может привести к быстрому разрушению шины. Начиная от критической температуры, возможно повреждение шины, особенно если температура будет держаться продолжительное время.

При повышенных температурах появляются явления усталости, которые обусловлены появлением и развитием на поверхности нитей капронового корда микродефектов. Уменьшение прочности резины и корда при повышении температуры приводит к отслоению протектора, расслоению и разрыву каркаса в местах с наибольшей температурой. Поэтому нельзя допускать нагрева шины выше 100оС.

Гудков В.А., Рябов И.М., Гудков Д.В., Малинин Н.Н., Волгоградский государственный технический университет

Мамакурбанов М.М., Устаров Р.М., Махачкалинский филиал МАДИ

Журнал: Шина Плюс

Источник

Для теста отобрали известные в России шины:

Bridgestone Turanza GR-80
Continental ContiPrеmiumContact 2
KUMHO ecsta XT
Michelin Energy E3A
Nokian HAKKA V
Pirelli Dragon
Toyo CF1 PROXES

Для сравнения на холодном асфальте привлекли также зимнюю нешипуемую шину Michelin Х-Ice.

Мерилом сцепных свойств служил тормозной путь на сухом асфальте при разной его температуре, потому тест растянулся с июля по ноябрь. Но, разумеется, на одном и том же участке дороги и с одним и тем же экипажем — водителем и оператором. Асфальт здесь шершавый, с высоким коэффициентом сцепления. Автомобиль «Шкода-Октавия» с ABS. Торможение — со 100 до 5 км/ч, чтобы исключить влияние погрешностей в работе электроники на малых скоростях. Конечно, температурные условия менялись непосредственно в ходе замеров, потому мы пересчитывали полученные результаты через показатели шин сравнения (так называемых референт-шин). Корректировку проводили через два комплекта, приводя результаты к определенному значению температуры.

Температуру протектора контролируем электронным медицинским термометром.

К сожалению, не удалось «подобрать» погоду с четкими интервалами в 10 или 20 градусов, из-за этого температурные точки на графиках чуть смещены от круглых значений, однако на закономерность тенденций это не повлияло.

Тормозной путь

В общем случае тормозной путь зависит от сцепных свойств шин. При низких температурах на них влияет химический состав резиновой смеси протектора. «Замерзая», она ухудшает свои сцепные свойства. Подобный эффект, только наоборот, присущ спортивным и высокоскоростным шинам. Здесь специальные добавки повышают сцепные свойства шин при разогреве на высокой скорости. Вспомните формулу 1: до старта их шины поддерживают электрочехлами в горячем (более 100°С) состоянии.

Вот и первый вывод из нашей работы: с ростом температуры воздуха и дороги тормозной путь обычных шин увеличивается. Имейте это в виду, отправляясь летом в теплые края.

ЗАВИСИМОСТЬ ТОРМОЗНОГО ПУТИ (м) ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ АСФАЛЬТА(°С)

Кстати, из графика видно: не все шины меняют свойства одинаково. Одна шина просто не может быть лучшей во всем диапазоне температур. Характерный пример — «Мишлен» и «Континенталь»: одна лидирует в жаркую погоду, другая — при снижении температуры до +4°С.

Третий вывод: тесты летних шин не следует проводить при температуре, близкой к +10°С, — разница показателей здесь минимальна.

Следующий интересный момент: при температуре ниже +7°С сцепные свойства шин ухудшаются. Но не у всех! К тому же изменения не настолько страшны, чтобы при +5°С срочно «переобуваться». Начиная с температуры +11°С, мы «подключили» к летним шинам зимние Michelin Х-Ice. И вот результат — ухудшение тормозных свойств летних шин не такое уж страшное: зимняя даже при —5°С имеет гораздо больший тормозной путь, не говоря уже о плюсовой температуре. И никаких противоречий здесь нет — зимняя отыграет свое на льду и на снегу.

Думаю, наши результаты будут интересны любителям ездить на зимних шинах летом — разница в тормозных путях летних и зимних шин составляет… два корпуса автомобиля! К тому же с ростом температуры от +4°С до +11°С тормозной путь зимних шин увеличивается на полметра.

Обращаем внимание на малоизвестную деталь: зимние шины, в первую очередь, нешипуемые, делятся на две группы.

Первая — шины среднеевропейского типа, ориентированные на «черные» (асфальтовые) дороги. Твердость резины по Шору 58–65 ед.

Вторая — скандинавский или нордический тип шин, созданный для «белых» (заснеженных и обледенелых) дорог. Их твердость меньше — 50–55 ед.

Как правило, каждый производитель шин имеет две разные модели нешипуемых покрышек. Наш Michelin Х-Ice относится ко второй группе, а вот Michelin Alpine — из другой, «твердой» серии. Он должен тормозить на асфальте гораздо лучше своего мягкого «родственника», но заметно проиграет ему на снегу и льду.

Наша следующая задача — сравнить при разных температурах тормозные пути летних шин с зимними, разных типов, в том числе с шипами.

Температурный порог

При температуре, близкой к нулю (со стороны «плюса»), сцепные свойства летних шин остаются довольно высокими. Если осенью вы уверены, что не встретите на дороге лед и снег, до наступления морозов с переобуванием можно не спешить. То же справедливо и для ранней весны. А температуру +7°С производители шин указывают с запасом, чтобы наверняка избежать встречи с гололедом.

При замене летних шин на зимние помните: на чистом асфальте последние всегда тормозят хуже. Как правило, чем лучше они ведут себя на снегу и льду, тем менее цепки на асфальте.

И еще одна особенность чистого асфальта. На морозе ниже —5°С он, особенно гладкий, весьма коварен: при торможении мгновенно «потеет» в пятне контакта, а тонкий слой влаги на морозе тут же превращается в ледяную корочку. Особенно трудно придется тогда на летних шинах. Так что при наступлении морозов настоятельно рекомендуем сменить шины на зимние, даже если дороги абсолютно чисты от снега и льда. На дорогах с шершавым асфальтом подобный эффект выражен меньше.

И наконец, теперь мы «документально» можем ответить на читательский вопрос: почему одна и та же шина в разных тестах порой показывает разные результаты. Как видим, они зависят не только от характера покрытия, но и от его температуры.

Зимние шины на сухом асфальте тормозят существенно хуже летних, последние при торможении со 100 до 5 км/ч отыгрывают два корпуса автомобиля! Поэтому весной не стоит затягивать с переобуванием, а осенью не спешите переходить на «зиму».
Не все летние шины одинаковы: одни лучше тормозят в жару, другие — в прохладную погоду.
Лучшие тормозные свойства у большинства летних шин — при температуре, близкой к +10°С.

Bridgestone Turanza GR-80

В жару показывают средний результат, вписавшись в массовку из четырех шин. При пасмурной погоде тормозят почти на полметра лучше. Но на фоне остальных есть ухудшение, теперь хуже «Бриджа» только «Тойо». В прохладную погоду все другие покрышки, за исключением «Кумхо», тормозят лучше! Холодная дорога — переломный момент, на ней тормозные свойства ухудшаются: путь до остановки увеличился на 1,3 м, а при переходе «в минус» вырос еще на 1,4 м. И здесь «Бридж» оказывается последним: это на метр хуже, чем в жару.

Шины традиционной температурной ориентации. Теряют сцепные свойства и с ростом, и с понижением температуры относительно +10°С. При первых холодах рекомендуем менять на зимние.

Continental ContiPrеmiumContact 2

На горячей дороге тормозят с явным преимуществом. Отрыв от ближайшего соперника — 1,7 м. В пасмурную погоду проигрывают самим себе 0,9 м, в итоге «прячутся» в середину группы. На прохладной дороге, отыгрывая 0,9 м, возвращаются к «горячей» отметке в 37,7 м, при этом оставаясь в «средней группе». Холодный асфальт не любят — отдают 1,7 м и откатываются на последнее место. Лидеру при этой температуре — «Пирелли» проигрывают целых 3,3 м! На морозе сдаются, увеличивая тормозной путь еще на 0,9 м, правда, перемещаются на предпоследнее место, обогнав «Бриджстоун».

Самые летние из всех шин — рекомендуем для горячих дорог! Не любят похолодание, расплачиваясь ухудшением сцепных свойств.

KUMHO ecsta XT

В жаркую погоду тормозят средне, наравне с «Бриджем» и «Пирелли». Пасмурная погода благоприятно влияет на сцепные свойства — тормозной путь уменьшается на 1,3 м, место в середине группы сохраняется. Прохлада действует благотворно, улучшение 0,4 м, но результат — худший из всех, хотя у всей компании очень близкие показатели. Холодная дорога экономит еще полметра, продвигая шины далеко вперед, поскольку почти все остальные здесь результат ухудшают. Мороз: всего десять градусов увеличивают тормозной путь на 2,3 м. Впрочем, результат торможения сопоставим с самым жарким.

Характер изменения сцепных свойств отличается от традиционного лишь при температуре чуть выше нуля. В остальных условиях зависимость как у покрышек основной группы. Неплохо переносят похолодание.

Michelin Energy E3A

В жару останавливаются хуже остальных, уступая основной группе 0,4–1 м, а лидеру почти 3 метра. Пасмурная погода приносит «экономию» в два метра и перемещение в середину группы. Прохлада уменьшает путь еще на метр и выводит шины на второе место. Похолодание «Мишлену» безразлично — результат не изменился. Немногим лучше лишь «Пирелли» с первым замером и «Кумхо». На морозе увеличив тормозной путь всего на 0,1 м. Поведение по сравнению с «Конти» меняется с точностью «до наоборот» — 37,7 м против 40,3 на замерзшей дороге, хотя в жару было 40,5 против 37,7.

Самые хладостойкие шины, на жаре не лучшие показатели, зато допустимо использование ранней весной и поздней осенью. Терпимее остальных к холоду.

Nokian HAKKA V

На дороге, прогретой солнцем, эти шины тормозят очень хорошо, уступая лишь «Континенталю». Правда, разрыв с ним составляет 1,7 метра. Пасмурная погода помогает стать лучше на 0,9 м, удерживая вторую позицию. Прохлада приносит очередные 0,6 м, но конкуренты уже подбираются очень близко. Холодная дорога переламывает ситуацию — отдаляет остановку на 0,7 м, хотя результат оказывается ровнехонько в середине. Мороз продолжает начатое — тормозной путь увеличивается на 0,8 м. Тем не менее полученный результат 39,2 м очень неплох.

Отношение к изменению температуры обычное. Из всей компании это самые стабильные шины. Тем не менее рекомендуем менять их на зимние при первых холодах.

Pirelli Dragon

В жару тормозят в «средней группе», хотя 39,5 м — третий результат. Пасмурная погода позволяет отыграть 1,8 м и переместиться на первое место. Отрыв от ближайшего конкурента — 0,6 м. Прохлада закрепляет успех. «Пирелли» и здесь лучше всех, причем с тем же разрывом. На холодном асфальте, в отличие от остальных, эти шины имеют разные результаты в холодном и прогретом состоянии. В «холодном» делят первое место с «Кумхо» — 37,5 м, а после нескольких торможений подряд позволяют остановиться быстрее остальных — 36,1 м!

Двойственное поведение при похолодании: если прогреты, результаты заметно (на полтора метра) лучше. Единственные шины, которые при +4°С и ниже улучшают результат после нескольких торможений, произведенных одно за другим.

Toyo CF1 PROXES

На горячей дороге исследуемые свойства посредственны — 40,1 м, позади лишь «Мишлен». В пасмурную погоду торможение закономерно улучшается — на 0,7 м. Но и при этом «Тойо» оказывается на последнем месте. Прохладный асфальт позволяет переместиться в «среднюю группу» — к отметке 37,7 м; улучшение составило 1,7 м. На холодной дороге путь до остановки увеличился ровно на метр. Тем не менее «Тойо» удерживается в середняках. Морозная дорога вредит, как и многим другим. Показатель ухудшился на 1,4 м и вернулся к отметке, что была при +40°С — 40,1 м.

Шины с традиционной температурной ориентацией. На прохладных дорогах тормозят лучше, чем на разогретых летним солнцем. Менять такие шины на зимние стоит при первых холодах.

Жарко — холодно

Жарко (Воздух 28±2°С, Асфальт 40±5°С)

Средний тормозной путь — 39,5 м, разброс — 2,8 м.

На графике хорошо видно, что компания из четырех шин уложилась в тормозной путь от 39,4 до 39,7 м. Лидер — «Континенталь», отыгравший у массовки почти два метра. В хвосте «Тойо» и «Мишлен» — чуть более 40 метров.

Пасмурно (Воздух 18±2°С, Асфальт 20±4°С)

Средний результат — 38,6 м, среднее улучшение — 0,9 м, разброс — 1,7 м.

Улучшение налицо: массовка сконцентрировалась около 38,5 м. Здесь лучшие — «Пирелли» с результатом 37,7 метра. «Тойо» по-прежнему в хвосте, но вместе с «Бриджстоуном» они показали образец стабильности — изменение от замера к замеру 0,6–0,7 м.

Прохладно (Воздух 12±2°С, Асфальт 11±3°С)

Средний результат еще лучше — 37,7 м, улучшение — 0,9 м, разброс — 0,7 м.

Идеальная температура для торможений! Тормозные пути стали короче, а результаты легли кучнее. У «Пирелли» новый рекорд — 37,3 м, а вся компания уместилась в 37,6–38,0. В замыкающих «Кумхо». Впрочем, между соперниками всего 0,7 м.

А если не брать в расчет лидера, лишь 40 см!

Холодно (Воздух 5±1°С, Асфальт 5±1°С)

Средний тормозной путь — 38,1 м. Общее среднее ухудшение — 0,4 м, разброс — 3,3 м.

Тормозные пути стали расти, «Пирелли» продолжает лидировать и ставит очередной рекорд: 36,1 м. Интересная особенность: лучшие результаты эти шины показывают после 5–6 торможений, а «холодное» — 37,5 м. Другие шины на собственный прогрев не реагировали.

Морозно (Воздух —6±1°С, Асфальт —5±1°С)

Средний тормозной путь — 39,4 м, ухудшение — 1,3 м, разброс — 2,0 м.

Сцепные свойства летних шин продолжают ухудшаться. Впрочем, «Пирелли» и здесь показывает норов: лучший результат 37,8 м вновь получен после нескольких торможений. «Холодные» же останавливаются на 39,5 м. Самым хладостойким оказался летний «Мишлен» — на морозе он «уступил» всего 10 см и в итоге оказался на первом месте.

Источник