dr inż. Andrzej Dębowski

W połowie XIX w. Charles Goodyear opracował proces wulkanizacji kauczuku i w dużej mierze to dzięki niemu istnieją opony, jakie znamy dzisiaj. Niestety nieudało mu się dorobić na swoim pomyśle, a przemysł oponiarski stanowi ważną gałąź sektora motoryzacyjnego. Okresowe wymiany opon (maksymalnie co 5-6 lat) powodują, że każdy kierowca z czasem zmuszony jest do zakupu nowego kompletu opon. Niekiedy uważa się opony za nieskomplikowane przedmioty i podejmuje się decyzję o zakupie biorąc pod uwagę wyłącznie cenę. Tymczasem warto zdawać sobie sprawę z tego, co wpływa na własności opon i które z nich są kluczowe dla bezpieczeństwa. Do wyprodukowania przeciętnej opony stosuje się 20 lub więcej elementów, z czego ponad 15 to komponenty gumowe, a procesy technologiczne są pilnie strzeżone oraz chhronione patentami.

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.

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.

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) r_n - wynika z wymiarów zewnętrznych opony i maleje z wydłużeniem czasu eksploatacji (osiadanie, zużycie).
Promień statyczny r_s - jest odległością osi obrotu koła od płaszczyzny drogi w momencie, gdy koło jest obciążone siłą normalną i jest nieruchome.
Promień dynamiczny r_d - jest to odległość osi obrotu koła od płaszczyzny drogi podczas jazdy. Odległość ta ulega ciągłym zmianą w zależności od warunków ruchu samochodu.
Promień toczny r_t - jest umowną wielkością promienia takiego koła sztywnego, które na odcinku L wykona taką samą liczbę obrotów, jak analizowane koło ogumione.