Автомобильная шина обладает упругостью в радиальном, боковом и тангенциальном направлениях. Соответствующие жесткости шины зависят от ее размеров и статической нагрузки. Для колебаний и плавности хода основное значение имеет радиальная жесткость шины.
О жесткости шины судят по ее упругой характеристике, которая представляет собой зависимость между вертикальной нагрузкой и радиальной деформацией, измеряемой обычно при статическом нагружении. Кривые нагрузки и разгрузки не совпадают, образуя петлю гистерезиса. Потери на гистерезис, увеличивающие сопротивление качению и вызывающие нагрев, невелики. Чтобы найти радиальную жесткость шины, следует провести среднюю линию между кривыми нагрузки и разгрузки. Жесткость шины равна тангенсу угла наклона касательной к средней линии, проведенной в точке, соответствующей статической нагрузке.Особенностью шины как упругого элемента является то, что при малых нагрузках упругая характеристика шины нелинейна. Многочисленные испытания показывают, что жесткость шины мало меняется при средних и больших нагрузках. Поэтому при расчетах можно заменять шину упругим элементом с линейной характеристикой.
Жесткость шин уменьшается с уменьшением числа слоев каркаса. Жесткость шины 7,50-16 при четырех слоях корда на 12…13% меньше, чем жесткость при шести слоях. В меньшей степени на жесткость влияют ширина обода колеса, неоднородность материала по периметру шины и степень изношенности протектора.При конструировании шины ее статическую осадку, а следовательно и жесткость, выбирают так, чтобы деформация шины соответствовала допустимым напряжениям в каркасе. Расчетные деформации зависят от сечения шины и ее типа и в среднем равны: 12…14% (от высоты профиля шины) для шин легковых автомобилей; 10…12% - для шин грузовых автомобилей низкого и высокого давления и 12…18% - сверхнизкого давления.При однотипных шинах чем больше сечение профиля, тем значительнее по абсолютной величине осадка шины и меньше ее жесткость. Это достигается уменьшением допускаемого внутреннего давления воздуха в шине.
Жесткость шины заданного размера меняется с изменением статической нагрузки по закону, близкому к линейному. Надлежащим выбором давления воздуха в шине можно сохранить почти постоянной ее осадку при различной статической нагрузке. Отношение жесткости шин к жесткости рессор меняется обычно в пределах 1,5…6,0 для грузовых автомобилей и 5…12 для легковых. Развитие автомобильных шин характеризуется уменьшением радиальной жесткости.Для улучшения плавности хода радиальная жесткость шины должна быть возможно меньшей боковой жесткости шины. Такие требования противоречивы, так как уменьшение жесткости шины в радиальном направлении ведет обычно к уменьшению жесткости и в боковом направлении. Кроме того, это сокращает срок службы шины и увеличивает сопротивление качению.Несмотря на противоречивые требования к шине, ее жесткость в радиальном направлении удается постепенно уменьшать, сохраняя необходимую боковую жесткость и срок службы. Этого достигают понижением давления в шине, увеличением ширины шины при уменьшении диаметра обода и увеличении ширины обода, а также улучшением конструкции и материала шины.
Величина жесткости шин может несколько отличаться даже при одинаковых размерах и устройстве. При эксплуатации жесткость шины не остается постоянной, а несколько меняется в зависимости от скорости автомобиля, момента, передаваемого через ведущие колеса, нагрева шины и других причин.Рассматривая колебания автомобиля, шину моделируют в виде упругого элемента (иногда с вязким трением) с точечным контактом. Такая модель приемлема для сравнительно длинных неровностей. При коротких неровностях соизмеримых с длиной отпечатка шины, сказывается то, что шина является гибкой и упругой оболочкой, а радиус колеса значительно превышает высоту неровности. Эти особенности шины можно характеризовать ее дополнительными качествами: обкатывающей (сглаживающей) и поглощающей способностями.
Обкатывающая способность проявляется в том, что ось колеса описывает более плавную траекторию по сравнению с очертаниями неровности, а поглощающая способность – в том, что подъем оси колеса оказывается меньше высоты неровности. Обкатывающая и поглощающая способности шины зависят от радиальной и тангенциальной жесткостей шины, а также от жесткости протектора и бреккерного слоя.Если колесо подходит к неровности, например прямоугольной формы, то шина вначале упирается в неровность и происходит ее деформация, сопровождающаяся увеличением горизонтальной и вертикальной составляющей силы взаимодействия колеса с неровностью. Когда горизонтальная составляющая достигнет значения, предельного по сцеплению с дорогой, шина начнет проскальзывать относительно ее. Анализ траектории колеса при проезде коротких неровностей различной формы показал, что процесс обкатывания неровности сопровождается уменьшением радиальной жесткости, тем более заметным, чем резче отличаются очертания неровности от плавных кривых.
Такой процесс сопровождается подъемом колеса вследствие его поворота вокруг выступающего угла неровности. При этом некоторое время может происходить скольжение шины одновременно как относительно дороги, так и относительно неровности. Скольжение относительно дороги будет продолжаться до тех пор, пока шина, поднимаясь, не оторвется от поверхности дороги. Скольжение шины относительно неровности прекратиться, и процесс въезда колеса на неровность будет иметь вид поворота деформированной шины вокруг выступающего угла неровности, как мгновенный центр вращения.
О плавности хода и шинах