< dr inż. Andrzej Dębowski | Strona informacyjna




dr inż. Andrzej Dębowski

Koło ogumione

    Opony ... okrągłe, czarne i drogie! To jest wrażenie większości konsumentów, którzy często uważają je za nieskomplikowane przedmioty i podejmują decyzje o zakupie biorąc pod uwagę wyłącznie cenę. A tymczasem do wyprodukowania przeciętnej opony stosuje się 20 lub więcej elementów, z czego ponad 15 to komponenty gumowe.
    Historycznie rzecz biorąc, opona pneumatyczna dętkowa została wynaleziona przez Roberta Williama Thomsona w 1846 roku. Opony bezdętkowe zostały wprowadzone wraz ze zmianą konstrukcji obręczy na początku 1950 roku, zaś opony diagonalne z opasaniem stały się popularne pod koniec 1960 roku. Opony radialne, wprowadzone po raz pierwszy w Europie, stały się popularne w USA począwszy od roku 1970, a obecnie dominują na rynku opon osobowych [3].
  • Jak widać oznaczenia nie kończą się na szerokości opony, profilu opony czy też jej średnicy.
  • Opony to niezwykle istotny element eksploatacyjny samochodu mający ogromny wpływ na bezpieczeństwo i komfort jazdy. Dlatego umiejętnością odczytywania podstawowych parametrów zapisanych na boku bieżnika opony powinien cechować się każdy kierowca. Zasadnicze właściwości ogumienia, jego wymiary, przeznaczenie, nominalne warunki eksploatacji oraz wiele innych można ustalić na podstawie informacji kodowej, umieszczonej na boku opony. Opracowana przeze mnie plansza przedstawia większość z nich dla wybranego modelu opony.

    Kilka ciekawostek o oponach [5]:
      - nowa opona przednia ze zużytą tylną oponą może powodować niestabilność;
      - pony przechowywane przez dłuższy czas w bezpośrednim świetle słonecznym twardnieją i starzeją się szybciej niż opony utrzymywane w ciemnym otoczeniu;
      - długotrwały kontakt z olejem lub benzyną powoduje zanieczyszczenie mieszanki gumowej, co skraca czas eksploatacji opony;
      - materiał opony i układ warstw w jej konstrukcji wpływają na współczynnik tarcia tocznego i prędkość krytyczną;
      - opony radialne mają około 20% mniejszy opór toczenia i 20% większą prędkość krytyczną od opon diagonalnych;
      - opona o większym promieniu i mniejszym wskaźniku profilu ma mniejszy opór toczenia i wyższą prędkość krytyczną;
      - współczynnik tarcia tocznego zmniejsza się wraz ze zużywaniem opony, a wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.

    Tabela 1. Wymagania stawiane oponom samochodowym [1]


    Lp

    Materiałowe

    Ekonomiczne

    Eksploatacyjne

    Funkcjonalne
    1. możliwość bieżnikowania dostępność technologii
    wykonania
    dobra przyczepność prawidłowa charakterystyka
    naprężenie – odkształcenie
    2. odporność na warunki
    klimatyczne
    dostępność materiałowa odporność na starzenie odprowadzanie wody
    3. niska masa niska cena odporność na ścieranie równowaga statyczna
    i dynamiczna
    4. możliwość recyclingu niski hałas
    5. długa żywotność

    Bardzo ważnym współczynnikiem jest opór toczenia (f ) i zgodnie z [2] wyraża sumę strat energii, które powstają podczas ruchu kół pojazdu. Natomiast zgodnie z [4] współczynnik oporu toczenia jest to stosunek siły, jaką należy przyłożyć do osi koła, aby wywołać toczenie się koła ruchem jednostajnym po drodze poziomej, do prostopadłego nacisku koła na drogę.

    Tabela 2. Wartości współczynnika oporu toczenia f  [4]


    Numer

    Rodzaj i stan nawierzchni drogi

    Współczynnika oporu toczenia f
    1. Droga o twardej nawierzchni - beton i asfalt w dobrym stanie 0,012 - 0,016
    2. Droga tłuczniowa (szosa) w dobrym stanie 0,023
    3. Droga tłuczniowa pokryta grubą warstwa kurzu 0,028
    4. Droga tłuczniowa zniszczona, wybita i zabłocona 0,035
    5. Dobra droga polna — trakt 0,035 - 0,05
    6. Droga błotnista lub piaszczysta 0,08 - 0,16
    7. Sypki piasek 0,15 - 0,3

    Pomiędzy wartością poślizgu względnego a stosunkiem siły obwodowej do normalnego nacisku koła na drogę istnieje pewna określona zależność dla każdego rodzaju koła i drogi. Ta zależność wyrażona jest jako stosunek siły obwodowej do normalnego nacisku koła na drogę oznaczona symbolem μ - współczynnik przyczepności. Przez pojęcie siły obwodowej należy rozumieć siłę napędową przy ruchu koła po miękkiej drodze i siłę pędzącą przy ruchu koła po drodze o sztywnej nawierzchni.

    Tabela 3. Wartości współczynnika przyczepności μ dla opon samochodowych [4]


    Numer

    Rodzaj i stan nawierzchni drogi

    Sucha

    Mokra
    1. Beton 0,8 - 1 0,5 - 0,6
    2. Asfalt 0,7 - 0,8 0,3 - 0,4
    3. Klinkier 0,7 - 0,8 0,4 - 0,5
    4. Droga tłuczniowa 0,6 - 0,7 0,3 - 0,4
    5. Dobra gruntowa 0,5 - 0,6 0,3 - 0,4
    6. Piasek 0,5 - 0,6 0,4 - 0,5
    7. Droga oblodzona 0,2 - 0,3 0,2 - 0,3
    8. Droga pokryta śniegiem 0,2 - 0,3 0,2 - 0,3

    W zależności od kierunku działania siły wyróżnia się [1]:
    Sztywność promieniową – wyznaczana jako zależność ugięcia promieniowego opony, od siły pionowej. W dużej mierze od sztywności promieniowej zależy wielkość obciążeń dynamicznych jakie działają na elementy układu jezdnego, ale również komfort jazdy. Z uwagi na to, że opona pneumatyczna posiada wielowarstwową budowę oraz głównym materiałem jest guma, to podczas jej deformacji zachodzi zjawisko histerezy (powstawanie strat energii podczas dociążania i odciążania opony).
    Sztywność obwodową – jest to zależność przemieszczenia wzdłużnego od siły wzdłużnej, przykładanej do osi koła. Działanie sił obwodowych (hamowanie, napędzanie) powoduje powstawanie obwodowych odkształceń powłoki opony. Sztywność obwodowa pozwala określać właściwości opony w kierunku wzdłużnym oraz sztywność poślizgową.
    Sztywność boczną – zależność przemieszczenia bocznego opony od siły bocznej, przykładanej do osi koła. Sztywność boczna jest szczególnie istotna przy tzw. zjawisku nadbiegania opony podczas znoszenia bocznego opony. Nadbieganie ogumienia podczas zamiany warunków znoszenia bocznego koła jest skutkiem zmiany odkształcenia powłoki opony w kierunku poprzecznym, inaczej mówiąc, reakcja boczna powstająca w strefie styku bieżnika z podłożem jest przenoszona na obręcz koła za pomocą elementu sprężystego (opona). To dzięki sztywności bocznej można określić właściwości sprężyste opony w kierunku poprzecznym.
    Sztywność skrętną – to zależność otrzymanego kąta obrotu opony od momentu skręcającego. Parametr ten znacząco wpływa na kąt znoszenia bocznego ogumienia, co jest bardzo ważne w przypadku pojazdów sportowych.




    Powyższy rysunek przedstawia typowe charakterystyki ogumienia [5]. Warto zauważyć, że sztywność wzdłużna Fx jest największa, co wynika z konieczności przenoszenia siły napędowej oraz wytwarzanej siły wzdłużnej w procesie hamowania. Jej przebieg kończy się po zaledwie 12-13 mm, ponieważ następuje utrata przyczepności koła, czyli pełny poślizg. Natomiast charakterystyka boczna ilustruje kilkakrotnie mniejszą sztywność boczną Fy. Ten o wiele dłuższy przebieg jest możliwy właśnie z powodu większej elastyczności bocznej opony i zbyt małej jej sztywności. Z tego właśnie powodu bardzo istotnym w dynamice przestrzennej koła bardzo ważnym pojęciem jest kąt znoszenia ogumienia. Ostatnia tutaj charakterystyka - promieniowa Fz - jest zobrazowana jako liniowa, jednak należy pamiętać, że jest to pewne przybliżenie, gdyż jej rzeczywisty charakter jest taki, jak na kolejnym rysunku. Dla poprzednich dwóch przypadków charakterystyka kończyła się w wyniku pełnego poślizgu koła, natomiast w tym przypadku, gdy obręcz koła zetknie się z nawierzchnią. Jednak takiego przypadku to liniowe odwzorowanie nie obejmuje.

    Wyznaczanie sztywności promieniowej
    1. Ustalone warunki badań: opona ustalone ciśnienie, temperatura opony równa temperaturze otoczenia, odpowiednia wilgotność powietrza.
    2. Należy wykonać minimum trzykrotne obciążenie i odciążenie koła.
    3. Jeśli wyznaczamy sztywność opony dla obciążenia Fz, to w trakcie badania należy koło obciążyć wartością 125% Fz.
    4. Następnie metodą najmniejszych kwadratów należy wyznaczyć linię środkową, która posłuży do obliczenia sztywności.



    - przebieg przykładanej charakterystyki sztywności,
    - linia środkowa.




    gdzie:
    - siła normalna,
    - przemieszczenie pionowe,
    - sztywność promieniowa ogumienia.

    Charakterystyki sztywności kierunkowej ogumienia są niezbędne, gdy rozpatruje się np. dynamikę pojazdu. Wtedy wykorzystuje się także kolejne parametry, związane z kołem. Ze względu na elastyczność ogumienia można wyróżnić choćby cztery różne jego promienie:
      Promień nominalny (swobodny) rn - wynika z wymiarów zewnętrznych opony i maleje z wydłużeniem czasu eksploatacji (osiadanie, zużycie).
      Promień statyczny rs - jest odległością osi obrotu koła od płaszczyzny drogi w momencie, gdy koło jest obciążone siłą normalną i jest nieruchome.
      Promień dynamiczny rd - jest to odległość osi obrotu koła od płaszczyzny drogi podczas jazdy. Odległość ta ulega ciągłym zmianą w zależności od warunków ruchu samochodu.
      Promień toczny rt - jest umowną wielkością promienia takiego koła sztywnego, które na odcinku L wykona taką samą liczbę obrotów, jak analizowane koło ogumione.


Skontaktuj się ze mną

Jestem otwarty na wszelkie sugestie poprawy treści i zawartości strony.

Kontakt

  • lp.ude.taw@ikswobed.jezrdna
  • tel. stacjonarny: 261-837-732
    Budynek 23, pokój 10
  • Plan terenu WAT
  • Wojskowa Akademia Techniczna im. gen. Jarosława Dąbrowskiego
    Wydział Inżynierii Mechanicznej
    Instytut Pojazdów i Transportu
    Zakład Inżynierii Pojazdów i Transportu
    ul. Gen. Sylwestra Kaliskiego 2
    00-908 Warszawa 49
  • www.wat.edu.pl