Шины для дорожных и спортивных мотоциклов (Брудный Р.М.) - часть 2

где q

  с р

— среднее удельное давление,

Q —радиальная нагрузка, кгс;

Sп—полная площадь контакта, см

2

.

Рис. 11. Отпечатки шин различных типов:

а — дорожная шина; б —. шина для кросса и многодневных сорев-

нований; в — шина для ШКГ (переднее колесо)

Фактическое среднее удельное давление характери-

зуется отношением радиальной нагрузки Q к фактической

длощади контакта S

B

:

26

Величина q' в значительной степени определяет дол-

говечность шины с точки зрения износостойкости протек-

тора.

Наиболее благоприятным условием для шины было

бы равномерное распределение удельных давлений по

всей площади контакта. Однако исследования показали,

что удельные давления распределяются в площади кон-

такта неравномерно (рис. 12). Наиболее высокие удель-

ные давления в центре контакта, наименьшие,— на пе-

риферии.

Рис. 12. Эпюры рас-

пределения удельных

давлений по осям

контакта (эллипса)

При увеличении внутреннего давления в шине удель-

ное давление в центре контакта увеличивается, а при

уменьшении давления зона наиболее высоких удельных

давлений удаляется от центра контакта.

ЖЕСТКОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШИНЫ

Радиальная жесткость. При эксплуатации шина по-

стоянно находится под действием радиальной нагруз-

ки, причем для каждого размера шин существует мак-

симально допустимая величина этой нагрузки. Под дей-

ствием радиальной нагрузки шина деформируется. Ве-

личина деформации (прогиб) зависит от внутреннего

давления, конструкции шины и материалов, из которых

она изготовлена, т. е. от радиальной жесткости шины.

Зависимость прогиба от величины радиальной на-

грузки нз шину при постоянном внутреннем давлении

27

называется  н а г р у з о ч н о й  х а р а к т е р и с т и к о й

шины. На рис. 13 приведены нагрузочные характери-

стики мотоциклетных шин при различных значениях внут-

реннего давления.

Из графиков видно, что существует некоторая нели-

нейность изменения величины прогиба от нагрузки, осо-

бенно в начале кривой. Для правильного выбора ре-

Жима Эксплуатации шины большое значение имеет точ-

ность снятия нагрузочной характеристики. В эксплуа-

тации величина прогиба в значительной степени опре-

деляет работоспособность и долговечность шины. При

нормальной эксплуатации для шин определен некоторый

оптимальный прогиб. Величина оптимального прогиба

для шин диагональной кон-

струкции находится в преде-

лах 10—20% от высоты

профиля шины и в каждом

отдельном случае уточняет-

ся при проведении целого

комплекса стендовых и до-

рожных испытаний.

Окружная жесткость. При

трогании мотоцикла с ме-

ста, а также при торможе-

нии, шины ведущего и тор-

мозных колес подвержены

воздействию крутящего или

тормозного момента.

При действии на непо-

движную шину, нагружен- Рис. 14. Действие крутящего

ную вертикальной силой Q, момента на неподвижную шину

крутящего момента М

кр

(рис. 14), шина, язляясь упругим элементом, закручи-

вается относительно обода на некоторый угол ф.

При этом в контакте возникают касательные силы.

Распределение касательных сил несимметрично относи-

тельно поперечной оси контакта. В передней части кон-

такта касательные силы больше по величине, чем в зад-

ней части.

Равнодействующая касательных сил равна по вели-

чине тяговой силе Р

т

.

По мере увеличения крутящего момента М

кр

 возрас-

тают касательные силы.

В начале нагружения шины крутящим моментом уве-

личение момента М

кр

 пропорционально увеличению угла

закручивания ф.

При дальнейшем увеличении крутящего момента

вследствие увеличения касательных сил начинается час-

тичное проскальзывание элементов протектора относи-

тельно опорной поверхности.

29

Когда крутящий момент достигает некоторого крити-

ческого значения, тяговая сила Р

т

 становится больше

силы сцепления шины с опорной поверхностью. Насту-

пает полное проскальзывание в зоне контакта.

Способность шины сопротивляться закручиванию при

действии крутящего момента называется  о к р у ж н о й

(тангенциальной)  ж е с т к о с т ь ю  ш и н ы . Окружная

жесткость оценивается коэффициентом С, равным отно-

шению крутящего момента к соответствующему этому

моменту углу закручивания:

где С — коэффициент окружной жесткости.

Этот коэффициент может также оцениваться отноше-

нием тяговой силы Р

т

 к величине перемещения центра

контакта в направлении действия силы:

Рис. 15. Кривые окружной жест-

кости шин:

1— шина диагональной конструк-

ции;, 2 — шина типа Р

30

где Р

т

—тяговая сила, кгс;

b — перемеще н и е

контакта, мм;

R о — наружный ра-

диус недефор-

мирован  н о й

шины, мм;

R

c

— статический ра-

диус, мм.

Испытания, проведен-

ные на Ленинградском

шинном заводе, показа-

ли, что величина коэффи-

циента окружной жест-

кости несколько увели-

чивается при повышении

давления в шине и прак-

тически не зависит от

радиальной нагрузки.

На рис. 15 даны кри-

вые окружной жесткости

шин различной конструк-

ции.

Окружная жесткость шин типов Р и PC несколько

ниже, чем у шин обычных конструкций.

Более низкая окружная жесткость шин типов Р и PC

благоприятно сказывается на работе трансмиссии мо-

тоцикла, так как позволяет более плавно трогаться с

-места. Кроме того, у шин с пвниженной окружной

жесткостью менее интенсивно происходит увеличение

касательных сил в контакте при

увеличении крутящего момента.

В связи с этим проскальзывание

элементов рисунка протектора в

контакте уменьшается, а следова-

тельно, уменьшается износ протек-

тора.

Боковая жесткость. Одна из

важных характеристик шины — ее

способность деформироваться под

действием боковой силы.

Боковая сила P

б

, действующая

вдоль оси неподвижного колеса,

нагруженного вертикальной силой

Q, вызывает смещение средней

плоскости колеса относительно

центра площади контакта на неко-

торое расстояние а (рис. 16). При

этом площадь контакта, оставаясь

симметричной относительно оси ко-

леса, несколько изменяет свою фор-

му. Касательные силы, действую-

щие в контакте, также симметричны

по отношению к оси колеса.

Увеличение боковой силы Р

б

 вызывает увеличение

осевого смещения а, причем вначале эта зависимость

имеет линейный характер. Одновременно с боковой на-

грузкой увеличиваются и касательные силы. При неко-

тором значении боковой силы в контакте возникает

проскальзывание шины, которое постепенно увеличи-

вается. Полное проскальзывание начинается, когда бо-

ковая сила становится больше силы бокового сцепле-

ния.

Способность шины сопротивляться воздействию бо-

ковой нагрузки называется  б о к о в о й  ж е с т к о с т ь ю

ш и н ы . Боковая жесткость оценивается коэффициен-

Рис. 16. Действие

боковой нагрузки на

шину

31

32

Рис. 17. Графики зависимости бо-

ковой жесткости шин:

а — шина размера 80—405

(3,25—16) модели Л-133. зави-

симость боковой жесткости от

внутреннего давления (Q = 200 кгс,

ширина обода 55 мм);

б — шина размера 95—484

(3,75—19) модели И-40, зависи-

мость боковой жесткости от

слойности каркаса (Q = 310 кгс,

1— четырехслойная шина, 1,а —

двухслойная шина; Q = 200 кгс,
2 — четырехслойная шина, 2,а —

двухслойная шина);

в — шина размера 80—405

(3,25—16) модели Л-133, зависи-

мость боковой жесткости от шири-

ны обода (Q=200 кгс; 1—р=

1,5 кгс/см

2

; 2—р=2,0 кгс/см

2

;

3 — р = 2,5 кгс/см

2

; 4 — р=

3,0 кгс/см

2

; 5 — р = 3,5 кгс/см

2

)

том В, равным отношению боковой силы Р

б

 к осевому

смещению а:

B=P

б

 / а кгс/мм

Боковая жесткость — важная характеристика шины,

существенно влияющая на ее эксплуатационные каче-

ства. Боковая жесткость в значительной степени опре-

деляет устойчивость и управляемость мотоциклом, осо-

бенно при изменении направления движения.

Низкая боковая жесткость повышает чувствитель-

ность шины к воздействию боковых сил, т. е. даже не-

значительная по величине боковая сила вызывает ощу-

щаемое водителем осевое (в направлении действия бо-

ковой силы) смещение плоскости колеса, а следователь-

но, всего мотоцикла относительно контакта шин с до-

рогой. Так как шина — упругий элемент, перемещения

мотоцикла в поперечном направлении имеют знакопере-

менное направление. Возникают поперечные колебания

мотоцикла, которые вызывают у водителя неуверенность

при управлении, появляется ощущение, что шины «не

держат дорогу».

Особенно заметно ухудшается устойчивость и управ-

ляемость при эксплуатации мотоцикла на шинах ти-

пов Р и PC, так как их боковая жесткость на 30—50%

ниже, чем у шин обычной конструкции.

Исследования показали, что боковая жесткость шин

зависит от их конструкции, величины внутреннего давления

в шине, радиальной нагрузки, ширины обода и т. д.

На рис. 17 приведены графики боковой жесткости

шин в зависимости от величины внутреннего давления,

слойности каркаса и ширины обода.

Угловая жесткость. При приложении к неподвижному

колесу, нагруженному вертикальной силой Q, момента

М

 р

, действующего в плоскости, перпендикулярной оси

рулевой колонки мотоцикла, шина деформируется. При

этом плоскость колеса поворачивается на некоторый

угол Y ПО отношению к первоначальному положению

(рис. 18).

Под действием момента в контакте возникают каса-

тельные силы. Эти силы в задней части контакта имеют

несколько большую величину и направлены противопо-

ложно силам в передней части контакта.

Равнодействующие касательных сил создают момент

3-560

33

сопротивления М

с

, препятствующий деформации шины.

По мере увеличения приложенного к колесу момента М

 р

растут касательные силы, причем вначале деформация

шины пропорциональна величине момента. При неко-

тором значении момента равнодействующие касательных

сил становятся больше сил сцепления, что приводит к

частичному проскальзыванию элементов рисунка в зоне

контакта. В первую оче-

редь начинают проскаль-

зывать элементы, распо-

ложенные в зоне наиболь-

ших касательных сил. В

связи с этим происхо-

дит некоторое искажение

формы контакта, а боль-

шая ось контакта откло-

няется от своего первона-

чального положения на

угол у'<y.

При критическом зна-

чении величины момента,

приложенного к колесу,

наступает полное про-

скальзывание элементов

рисунка протектора, наи-

более удаленных от цент-

ра контакта.

Способность шины со-

противляться действию

момента, создающего уг-

ловую нагрузку на шину,

называется  у г л о в о й  ж е с т к о с т ь ю  ш и н ы . Коэф-

фициент угловой жестокости D равен отношению мо-

мента к углу поворота плоскости колеса:

Рис. 18. Действие угловой на-

грузки на шину

Угловая жесткость так же, как и боковая, в основном

влияет на управляемость мотоцикла с коляской, особен-

но при необходимости объезда на высокой скорости вне-

запно возникшего перед мотоциклом препятствия.

Величина угловой жесткости зависит от тех же па-

раметров, что и боковая жесткость.

34

СЦЕПЛЕНИЕ ШИНЫ С ДОРОГОЙ

Устойчивость и управляемость мотоцикла, его тяговые

свойства и тормозные характеристики в значительной

степени определяются сцеплением шины с дорогой.

Величина сцепления оценивается коэффициентом v,

равным отношению максимальной величины реакции X,

действующей на колесо в контакте шины с дорогой, при

которой происходит буксование колеса, к радиальной

нагрузке на шину Q:

Коэффициент сцепления шины с дорогой оценивается

в продольном (в плоскости вращения колеса) и боко-

вом (поперечном) направлениях.

В продольном направлении коэффициент сцепления

оценивается отношением максимальной тяговой (или

тормозной) силы Р

т

, при которой наступает буксование

(юз) колеса, к радиальной нагрузке на шину Q:

Коэффициент сцепления в боковом направлении оп-

ределяется отношением боковой силы Р

б

, при которой

происходит занос колеса, к радиальной нагрузке Q:

Величина коэффициента сцепления в основном опре-

деляется конструкцией шины и типом рисунка протекто-

ра, составом протекторных резин, а также характером,

качеством и состоянием дорожного покрытия.

Влияние типа рисунка протектора на величину

коэффициента сцепления на дорогах с сухим твердым

покрытием (асфальт, бетон) менее значительно, чем с

влажным. На влажном же покрытии характер рисунка

протектора имеет большое значение. Это объясняется

тем, что при движении мотоцикла по твердой мокрой

дороге между элементами рисунка протектора и доро-

гой появляется пленка воды. Если элементы рисунка

протектора имеют сравнительно небольшие размеры и

рассечены щелевидными (дренажными) прорезями, то

даже при высокой скорости качения вода выдавливает-

3* 35

ся из-под выступов протектора в стороны и дренажные

щели. Благодаря этому коэффициент сцепления повы-

шается. В том случае, когда вода не успевает выдав-

ливаться из-под шашек протектора, между элементами

рисунка и полотном дороги остается тонкая пленка во-

ды, которая резко снижает коэффициент сцепления. При

этом значительно ухудшается управляемость и устойчи-

вость мотоцикла, появляется опасность заноса.

Существенно снижается коэффициент сцепления

при качении шин по дорогам, покрытым тонким слоем

грязи, а также на заснеженных дорогах и в гололед.

В табл. 6 приведены значения коэффициентов сцепле-

ния шин с различными дорожными покрытиями.

Таблица 6

СРЕДНИЕ ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА СЦЕПЛЕНИЯ ШИН

С РАЗЛИЧНЫМИ ДОРОЖНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ

Дорожное покрытие

Асфальт, бетон

Песчаная дорога

Щебеночное покрытие

Грунтовая дорога

Булыжник и брусчатка

Дорога, покрытая снегом

Снежная укатанная дорога

Гололед

Состояние дорожного

покрытия

сухое

0,7—0,8

0,7—0,8

0,6—0,7

0,5—0,6

0,5—0,55

мокрое

0,45—0,55

0,6—0,65

0,4—0,5

04,-0,5

—

0,2—0,4

0,2—0,25

0,2—0,25

КАЧЕНИЕ ШИНЫ

Радиус качения. При качении шина подвергается дей-

ствию центробежных сил. Величина центробежных сил

зависит от скорости качения, массы и размеров ши-

36

ны. Под действием центробежных сил шина несколько

увеличивается по диаметру. Испытания показали, что

при качении шины со скоростью 180—220 км/ч высота

профиля увеличивается на 10—13% (результаты испыта-

ний шин на шоссейно-кольцевых мотоциклетных гон-

ках).

Одновременно действие центробежных сил вызывает

(за счет увеличения радиальной жесткости шины) не-

которое увеличение расстояния от оси колеса до опорной

поверхности (плоскости дороги) с одновременным

уменьшением площади контакта шины с дорогой. Это

расстояние называется  д и н а м и ч е с к и м  р а д и у с о м

ш и н ы Rл, который больше, чем статический радиус R

c

 ,

т. е. R

д

>R

с

.

Однако при эксплуатационных скоростях движения

R

д

 практически равен R

c

.

Р а д и у с о м  к а ч е н и я называется отношение ли-

нейной скорости движения колеса к угловой скорости

вращения колеса:

где R

K

— радиус качения, м;

V — линейная скорость, м/с;

со — угловая скорость, рад/с.

Сопротивление качению.

При качении колеса по

твердой поверхности* (рис.

19) каркас шины подвер-

жен циклическим деформа-

циям. При входе в контакт

шина деформируется и про-

гибается, а при выходе из

контакта — восстанавливает

свою первоначальную фор-

му. Энергия деформации

шины, образующаяся при

входе элементов в контакт

с поверхностью, расходуется

Рис. 19. Качение шины по

твердой поверхности

* Вопросы, связанные с качением колеса по мягкому грунту,

рассмотрены в разделе «Эксплуатация шин спортивных мото-

циклов»,

37

на внутреннее трение между слоями каркаса и проскаль-

зывание в зоне контакта. Часть этой энергии превращается

в тепло и передается окружающей среде. Вследствие

потерь механической энергии скорость восстановления

первоначальной формы шины при выходе элементов ши-

ны из контакта меньше скорости деформации шины при

входе элементов в контакт. В силу этого нормальные

реакции в зоне контакта несколько перераспределяются

(по сравнению с неподвижным колесом) и эпюра рас-

пределения нормальных сил принимает вид, как пока-

зано на рис. 19. Равнодействующая нормальных реак-

ций, равная по величине радиальной нагрузке на шину,

перемещается вперед по отношению к вертикали, прохо-

дящей через ось колеса, на некоторую величину а

(«снос» радиальной реакции).

Момент, создаваемый радиальной реакцией относи-

тельно оси колеса, называется  м о м е н т о м  с о п р о -

т и в л е н и я  к а ч е н и ю :

При условии установившегося движения (при посто-

янной скорости качения) ведомого колеса действует мо-

мент, уравновешивающий момент сопротивления каче-

нию. Этот момент создается двумя силами — толкающей

силой Р и горизонтальной реакцией дороги X:

где Р — толкающая сила;

X — горизонтальная реакция дороги;

R

д

—динамический радиус.

PR

д

=Qa —условие установившегося движения.

Отношение толкающей силы Р к радиальной реакции

Q называется  к о э ф ф и ц и е н т о м  с о п р о т и в л е -

н и я  к а ч е н и ю k:

На коэффициент сопротивления качению кроме шины

значительное влияние оказывает качество дорожного

покрытия.

Мощность N

K

, затрачиваемая на качение ведомого

колеса, равна произведению силы сопротивления каче-

нию Р

с

 на линейную скорость качения V:

38

Раскрывая это уравнение, можно написать:

где N

1

 — мощность, затрачиваемая на деформацию

шины;

N

2

 — мощность, затрачиваемая на проскальзывание

шины в зоне контакта;

N3

 — мощность, затрачиваемая на трение в подшип-

никах колеса и сопротивление воздуха;

N4—мощность, развиваемая шиной при восстанов-

лении формы шины в момент выхода элемен-

тов из контакта.

Потери мощности на качение колеса значительно воз-

растают с увеличением скорости качения, так как в этом

случае возрастает энергия деформации и, следователь-

но, большая часть энергии превращается в тепло.

При увеличении прогиба резко возрастает деформа-

ция каркаса и протектора шины, т. е. потери энергии на

гистерезис.

Одновременно увеличивается теплообразование. Все

это, в конечном итоге, ведет к увеличению мощности,

затрачиваемой на качение шины.

Испытания, проведенные во ВНИИМОТОПРОМе, по-

казали, что на качение мотоциклетной.шины в условиях

ведомого колеса (по гладкому барабану) затрачивается

мощность от 1,2 до 3 л. с. (в зависимости от размера

шины и скорости качения).

Таким образом, общие потери от шин весьма значи-

тельны и соизмеримы с мощностью двигателя мотоцикла.

Совершенно очевидно, что решение вопроса сниже-

ния мощности, затрачиваемой на качение мотоциклет-

ных шин, имеет исключительное значение. Уменьшение

этих потерь не только увеличит долговечность шин, но

значительно увеличит моторесурс двигателя и агрегатов

мотоцикла, а также положительно скажется на топлив-

ной экономичности двигателей.

Исследования, проведенные на шинном заводе Ленин-

градского производственного объединения «Красный

треугольник» при создании шин типа Р, показали, что

потери мощности при качении шин этого типа значи-

тельно меньше (на 30—40%), чем у шин стандартной

конструкции.

39

Кроме того, снижаются потери при переводе шин

на двухслойный каркас из корда 232 КТ.

Особенно важно максимально снизить потери мощ-

ности при качении шин для гоночных мотоциклов, так

как при их движении на высоких скоростях потери в

шинах составляют до 30% по отношению к общим за-

тратам мощности на движение. Один из методов сниже-

ния этих потерь — применение в каркасе гоночных шин

капронового корда 0,40 К. Применив такой корд, умень-

шили толщину каркаса, снизили вес шины, она стала

более эластичной, менее подверженной нагреву.

Большое влияние на коэффициент сопротивления ка-

чению шины оказывает характер рисунка протектора.

Для уменьшения энергии, образующейся при входе

элементов в контакт с дорогой, максимально снижена

масса протектора гоночных шин. Если у дорожных шин

глубина рисунка протектора находится в пределах

7—9 мм, то у гоночных шин она составляет 5 мм.

Кроме того, рисунок протектора гоночных шин выпол-

няют таким образом, чтобы его элементы оказывали

наименьшее сопротивле-

ние при качении шины.

Как правило, рисунок

протектора шин (см.

рис. 6) переднего (ведо-

мого) и заднего (ведуще-

го) колес различен. Это

объясняется тем, что на-

значение шины переднего

колеса — обеспечение на-

дежной управляемости, а

заднего колеса — пере-

дача крутящего момента.

Наличие кольцевых вы-

ступов на шинах перед-

них колес способствует

Рис. 20. Кривые зависимости по- снижению потерь при ка-

терь мощности от скорости каче- чении И улучшает управ-

ния: 1 — шина размера 80—484 ЛЯемость и УСТОЙЧИВОСТЬ

(3,25—19), модели Л-130 (до- мотоцикла, особенно на

рожная); 2 — шина размера

85-484 (3,25-19) модели Л-179 поворотах.

(для заднего колеса шоссейно- Зигзагообразный ри-

кольцевых мотоциклов) сунок протектора задне-

40

го колеса обеспечивает надежную передачу крутящего

момента и также снижает потери на качение.

Все вышеизложенные меры позволяют в общем су-

щественно снизить потери мощности при качении шин.

На графике (рис. 20) показаны кривые изменения по-

терь мощности при различных скоростях для дорожных

и гоночных шин. Как видно из рисунка, гоночные шины

по сравнению с дорожными имеют меньшие потери.

Рис. 21. Появле-

ние «волны» при

качении шины на

критической ско-

рости:

1 — шина; 2 —

барабан испыта-

тельного стенда

Критическая скорость качения шины. Когда скорость

качения шины достигает некоторого предельного значе-

ния, потери мощности на качение резко возрастают.

Коэффициент сопротивления качению увеличивается при-

мерно в 10 раз.

На поверхности беговой дорожки шины появляется

«волна» (рис. 21). Эта «волна», оставаясь неподвижной

в пространстве, перемещается по каркасу шины со ско-

ростью ее вращения.

Образование «волны» приводит к быстрому разруше-

нию шины. В зоне протектора-каркаса резко увеличи-

вается температура, так как внутреннее трение в шине

становится более интенсивным, и уменьшается прочность

связи между протектором и каркасом.

Под действием центробежных сил, значительных по

41

величине при высоких скоростях качения, происходит

отрыв участков протектора или элементов рисунка.

Скорость качения, при которой появляется «волна»,

считается критической скоростью качения шины.

Как правило, при качении на критической скорости

шина разрушается после пробега 5—15 км.

При увеличении давления в шине критическая ско-

рость увеличивается.

Однако практика показывает, что во время ШКХ ско-

рость движения мотоциклов на некоторых участках на

20—25% превышает критическую скорость шин, опреде-

ленную на стенде (при качении шины по барабану). При

этом шины не разрушаются. Это объясняется тем, что

при качении по плоскости деформация шины меньше

(при одинаковом режиме), чем при качении по барабану,

а следовательно, критическая скорость выше. Кроме

того время движения мотоцикла со скоростью, превы-

шающей критическую скорость шин, незначительно. При

этом шина хорошо охлаждается встречным потоком

воздуха. В связи с этим технические характеристики шин

спортивных мотоциклов, предназначенных для ШКГ, до-

пускают кратковременное превышение скорости в пре-

делах, указанных в табл. 7.

ДОПУСТИМЫЕ ЗНАЧЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ

шин мотоциклов для шкг

Таблица 7

СКОРОСТИ

Обозначение шин

65—484 (2,50—19),

модель Л-168

75—484 (3,00—19),

модель Л-169

75—484 (3,00—19),

модель Л-170

85—484 (3,25—19),

модель Л-179

Максимально допустимая

скорость, км/ч

при непрерывном

движении на

участке любой

длины

160

170

170

170

при непрерыв-

ном движении на

участке не более

5 км

210

230

230

240

42

Качение шины в условиях ведущего и тормозного ко-

леса. Качение шины в условиях ведущего колеса проис-
ходит при приложении к колесу крутящего момента

M

Kр

 .

Схема сил, действующих на ведущее колесо, приведе-

на на рис. 22.

К колесу, нагруженному вертикальной силой Q, при-

ложен крутящий момент М

кр

 .

Реакция дороги Q

p

, равная по величине нагрузке Q ,

смещена относительно оси колеса на некоторое расстоя-

ние а. Сила Q

p

 создает мо-

мент сопротивления каче-

нию М

с

:

Крутящий момент

создает тяговую силу Р

т

 :

где Rк—радиус качения.

При качении шины в

условиях ведущего колеса

под действием крутящего

момента происходит пере-

распределение касательных

сил в контакте.

Рис. 22. Схема сил, действую-

щих на шину ведущего коле-

са при качении

В передней по направлению движения части контак-

та касательные силы увеличиваются, в задней — умень-

шаются. При этом равнодействующая касательных сил

X равна тяговой силе Р

т

 .

Мощность, затрачиваемая на качение ведущего ко-

леса, равна произведению крутящего момента М

кр

 на

угловую скорость W

к

 вращения колеса:

Раскрывая это уравнение для случая установивше-

гося движения, можно написать мощностной баланс

колеса:

где Vт—теоретическая поступательная скорость колеса.

43

Это уравнение справедливо только в том случае,

когда в контакте отсутствует проскальзывание.

Однако касательные силы вызывают проскальзыва-

ние элементов рисунка протектора относительно дороги.

В силу этого действительная величина скорости посту-

пательного движения колеса Vд несколько ниже теорети-

ческой V

T

.

Отношение действительной скорости поступательного

движения V

д

 к теоретической V

т

 называется  к о э ф ф и -

ц и е н т о м  п о л е з н о г о  д е й с т в и я  к о л е с а , учи-

тывающим потери скорости на проскальзывание шины

относительно дороги.

Величину проскальзывания а можно оценить по сле-

дующей формуле:

Следовательно,

Очевидно, значение действительной скорости

жет меняться в пределах от V

T

 до 0, т. е.

В случае, когда т. е. колесо буксует

на месте.

Интенсивность проскальзывания зависит от величины

касательных сил, определяемых в свою очередь величи-

ной крутящего момента.

Ранее было показано:

где v — коэффициент сцепления шины с дорогой.

При увеличении крутящего момента до некоторого

значения, превышающего критическое, величина равно-

действующей касательных сил X становится выше допу-

стимой и шина полностью проскальзывает относительно

дороги.

Работы, проведенные на шинном заводе Ленинград-

ского производственного объединения «Красный тре-

угольник» показали, что существующие мотоциклетные

шины в диапазоне рабочих нагрузок могут передавать

без полного проскальзывания крутящий момент 55—

75 кгс • м (в зависимости от размера шины, величины

нагрузки, давления и т. д.).

44

При торможении мотоцикла силы, действующие на

шину, по характеру аналогичны силам, возникающим

при работе шины в условиях ведущего колеса.

При приложении к колесу тормозного момента М

т

 в

зоне контакта происходит перераспределение касатель-

ных сил. Наибольшие касательные силы возникают в

задней части контакта. Равнодействующая касательных

сил по величине и направлению совпадает с тормозной

силой T:

При увеличении тормозного момента М

т

 выше неко-

торого критического значения тормозная сила Т стано-

вится больше силы сцепления шины с дорогой (T>Qv)

и в контакте начинается полное проскальзывание, насту-

пает явление юза.

При торможении на юз в зоне контакта повышает-

ся температура протектора, падает коэффициент сцеп-

ления, резко увеличивается износ рисунка протектора.

Эффективность торможения уменьшается (увеличивает-

ся тормозной путь).

Наиболее эффективное торможение происходит при

значениях тормозной силы Т, близкой по величине силе

сцепления шины с дорогой.

Следовательно, при использовании водителем дина-

мических качеств мотоцикла в целях уменьшения изно-

са шин к ведущему колесу должен подводиться крутя-

щий момент, обеспечивающий наименьшее проскальзы-

вание шины относительно дороги.

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ШИН НА ПОВОРОТАХ

При движении мотоцикла по радиусу (на повороте)

возникает центробежная сила, величина которой опре-

деляется по формуле:

где F—центробежная сила;

G — масса мотоцикла;

V— скорость движения;

R — радиус поворота.

45

Следствием центробежной силы является боковая

Сила, действующая (в случае поворота мотоцикла с бо-

ковым прицепом) вдоль оси ко-

леса (рис. 23).

Под действием боковой силы

шина деформируется в попереч-

ном направлении, причем ис-

кажается не только профиль ши-

ны, но и форма контакта.

Плоскесть колеса смещается

относительно продольной оси

контакта на некоторое расстоя-

ние b, зависящее от боковой

жесткости шины. Боковая на-

грузка Рб вызывает возникнове-

ние в зоне контакта касательных

сил.

В отличие от неподвижного

колеса распределение касатель-

ных сил в контакте катящегося

колеса несимметрично относи-

тельно поперечной оси 0—0, в

силу чего равнодействующая ка-

сательных сил несколько смеще-

на назад относительно оси коле-

са на величину а. Это приводит

к тому, что при качении шины

каждый элемент протектора сме-

щается в направлении увеличе-

ния касательных сил на большую

величину, чем предыдущий. В

результате направление движе-

ния колеса изменится. Колесо

будет перемещаться под некото-

рым углом б к плоскости вра-

щения.

Это явление называется бо-

к о в ы м  у в о д о м , а угол 6 —

у г л о м  б о к о в о г о  у в о д а .

Действие на

 На рис. 24 показана зависи-

шину боковой силы при мость угла увода б от боковой
качении силы Р

б

.

Боковой увод может также оцениваться коэффициен-

том сопротивления уводу, равным отношению боковой

силы Р

б

 к углу увода б:

На линейном участке графика (см. рис. 24) коэф-

фициент является тангенсом угла наклона характерно-

Рис. 24. Зависимость угла увода от

боковой силы

47

жения, тем большее усилие должен приложить води-

тель, чтобы противодействовать возрастающему М

ст

. В

тот момент, когда начинается проскальзывание колеса в

боковом направлении (т. е. начинается занос) величина

М

ст

 резко уменьшается. Водитель чувствует это по

уменьшению усилия, которое он прикладывает к рулю

и должен сразу принять меры, чтобы предотвратить

занос.

Следовательно, условие устойчивости колеса против

заноса определяется выражением:

где Q — нагрузка на колесо;

v — коэффициент сцепления.

При движении мотоцикла с боковым прицепом по

радиусу можно сделать допущение, что центробежная

сила параллельна оси заднего колеса. В связи с этим

условие устойчивости мотоцикла против заноса будет:

где V — скорость движения мотоцикла;

G— масса мотоцикла;

v — коэффициент сцепления;

R — радиус поворота.

Таким образом, из формулы ясно, что при движении

мотоцикла с боковым прицепом на повороте постоянной

кривизны критерием ус-

тойчивости мотоцикла

против заноса является

скорость.

Явление бокового уво-

да наблюдается не толь-

ко при движении мото-

цикла с боковым прице-

пом по радиусу, но и

при его движении по на-

клонной плоскости (рис.

Рис. 25. Схема сил, действующих 25). В этом случае боко-

на мотоцикл с боковым прице-

пом при качении по наклонной вая сила Р

б

 является со-

плоскости ставляющей веса мото-

48

цикла, направленной параллельно наклонной плоско-

сти, т. е.
где а — угол наклона дороги.

Условие устойчивости мотоцикла против бокового

скольжения на наклонной плоскости будет:

Следовательно, при постоянном коэффициенте сцепле-

ния шин с дорогой занос (боковое скольжение) может

произойти только тогда, когда боковая сила будет боль-

ше силы сцепления шин с дорогой. Поскольку боковая

сила возрастает по мере увеличе-

ния угла а (наклона дороги),

критерием устойчивости мото-

цикла против бокового скольже-

ния является угол наклона до-

роги. Однако при высоком коэф-

фициенте сцепления шин с доро-

гой компоновка мотоцикла мо-

жет быть такой, что боковая

сила Р

б

 при некотором угле а,

не достигнув по величине силы

сцепления, вызовет опрокидыва-

ние мотоцикла. Т. е., если tga>V

бок

.

то раньше заноса произойдет

опрокидывание мотоцикла.

При движении по радиусу

мотоцикла-одиночки (рис. 26)

для обеспечения устойчивости

водитель наклоняет его к центру

поворота. Центробежная сила F

и сила тяжести Q создают опро-

кидывающие моменты противо-

положного направления относи-

тельно контакта шин с дорогой.

Условие равновесия мотоцикла-одиночки

иметь вид:

Рис. 26. Схема сил,

действующих на мото-

цикл-одиночку при дви-

жении по радиусу

где М

f

 и M

Q

 — опрокидывающие моменты.

4—560

49

В этом случае равнодействующая R проходит через

контакт шины с дорогой.

С увеличением скорости прохождения поворота рас-

тет центробежная сила F и опрокидывающий момент

Mf.

Следовательно, для сохранения равновесия при уве-

личении скорости движения угол а наклона мотоцикла

должен увеличиваться.

При наклоне мотоцикла боковая сила, действующая

на шину, несколько меньше, чем у мотоцикла с боко-

вым прицепом (при одинаковом значении центробеж-

ной силы). Это объясняется тем, что у мотоцикла, дви-

жущегося с наклоном, боковая сила, действующая вдоль

оси колеса, является составляющей центробежной си-

лы. При этом происходит некоторое увеличение ра-

диальной нагрузки на шину (по сравнению с нагрузкой

на прямолинейно движущемся мотоцикле), так как

R>Q (R — равнодействующая сил Q и F).

В связи с этим боковая деформация шин на мото-

цикле-одиночке несколько уменьшается. Угол поворота

плоскости колеса при прохождении одного и того же по-

ворота у мотоцикла-одиночки также меньше, чем у мо-

тоцикла с боковым прицепом.

Меньшие угол поворота плоскости колеса и боковая

сила, действующая на колесо, а также наклон плоско-

сти колеса уменьшают угол увода у мотоцикла-одиночки

по сравнению с мотоциклом с боковым прицепом при

прохождении поворота одинакового радиуса с одинако-

вой скоростью.

Условие устойчивости мотоцикла-одиночки против

заноса при движении по радиусу будет то же, что и

для мотоцикла с боковым прицепом при движении его

по наклонной плоскости, т. е.

Основное требование, предъявляемое к шине мото-

цикла, движущегося с некоторым углом наклона к пло-

скости,— надежное сцепление шины с дорогой. Это ус-

ловие может быть выполнено только в том случае, если

во всем диапазоне возможных углов наклона мотоцикла

(от 0 до 50°) величина площади контакта достаточно

большая, т. е. близкая по величине или больше контак-

та шины при вертикальном положении мотоцикла.

50

Наличие постоянно большого контакта шины с до-

рогой при постепенном наклоне мотоцикла обеспечи-

вается специально подобранным профилем сечения ши-

ны, имеющим определенную кривизну рабочей части

протектора.

Изменяющаяся кривизна различных участков сече-

ния шины по профилю должна иметь плавное сопря-

жение.

Таким образом, по профилю сечения мотоциклетные

шины значительно отличаются от автомобильных шин.

Кроме профиля, большое влияние на устойчивость

мотоцикла, движущегося с наклоном к дороге, оказы-

вает характер рисунка протектора. Те элементы рисун-

ка, которые работают при наклоне мотоцикла, должны

иметь достаточную жесткость в поперечном направле-

нии. При большой подвижности элементы рисунка

значительно деформируются в боковом направлении.

Вследствие этого возрастает неравномерность напря-

жений в элементах рисунка, что приводит к увеличе-

нию удельных касательных сил. В результате проскаль-

зывание наступает

раньше, чем у шин с

более жестким рисун-

ком и, следовательно,

возрастает опасность

заноса. Кроме того,

водитель ощущает не-

которую неустойчи-

вость мотоцикла в по-

перечном направлении,

так называемую «игру

шины», что вызывает

неуверенность в уп-

равлении мотоциклом.

Особенно важны все

перечисленные факто-

ры для спортивных

шин, устанавливаемых на гоночные мотоциклы.

Шины оригинальной конструкции для гоночных мо-

тоциклов выпускает фирма «Данлоп». Эти шины отли-

чаются от существующих мотоциклетных шин несколь-

ко необычным профилем. Сечение шины имеет форму,

близкую к треугольнику. На рис 27 показано сечение

Рис. 27. Сечение шины треугольного

профиля

51

Шины «Данлоп» модели KR-73 размера 3,50—19.

Шина «Данлоп» модели КР-73 имеет узкую беговую

дорожку при движении мотоцикла по прямой и боль-

шую площадь контакта на повороте. Однако эксплуа-

тация мотоцикла на таких шинах требует от водителя

очень высокой квалификации и большого опыта. Это

объясняется тем, что при входе в поворот наклон мото-

цикла должен быть произведен гораздо быстрее, чем на

шинах обычного профиля, чтобы максимально сократить

время качения шины на углообразном участке b, со-

единяющем беговую дорожку а с участком с.

Применение на гоночных мотоциклах шин с тре-

угольным профилем позволило увеличить скорость про-

хождения виражей на 3,5% (по данным фирмы «Дан-

лоп»).

В настоящее время на шинном заводе Ленинградско-

го производственного объединения «Красный треуголь-

ник» разработаны шины аналогичной конструкции. Ис-

пытания опытных образцов (размера 115—459 модели

Л-223) показали, что отечественные шины треугольного

профиля по эксплуатационным качествам не уступают

аналогичным шинам фирмы «Данлоп».

ЭКСПЛУАТАЦИЯ ШИН

Как уже указывалось выше, мотоциклетные шины под-

разделяются на две категории: для дорожных мотоцик-

лов и для спортивных мотоциклов.

Главные требования, предъявляемые к этим катего-

риям шин, различны. Основные критерии спортивных

шин — их эксплуатационные качества и прочность.

Принципиально минимальная долговечность спортив-

ных шин определяется тем, что шина должна выдер-

жать одну гонку (шоссейно-кольцевую или кросс) без

разрушения и с сохранением эксплуатационных качеств.

Вопрос повышения долговечности спортивных шин не

может решаться за счет даже незначительного ухудше-

ния их эксплуатационных качеств, т. е. путем увеличе-

ния насыщенности рисунка протектора, высоты его эле-

ментов и т. п. Поэтому повышение долговечности спор-

тивных шин осуществляется только путем увеличения

износостойкости протекторных резин (без существенного

52

изменения их физико-механических свойств) или создани-

ем шин с новой конструкцией каркаса (Р, PC или ОД).

Для дорожных шин вопрос долговечности имеет пер-

востепенное значение и является основным параметром,

определяющим их качество.

В табл. 8 и 9 приведены данные по гарантийному

пробегу шин для дорожных и спортивных мотоциклов.

Таблица 8

ГАРАНТИЙНЫЙ ПРОБЕГ ШИН ДЛЯ ДОРОЖНЫХ

МОТОЦИКЛОВ И МОПЕДОВ

Обозначение шин

65—484(2,50-19)
80—459(3,00—18)

80—405(3,25-16)
80—484(3,25—19)

90-459(3,50—18)
95—484(3,75—19)

110—432(4,00—17)

60—484(2,25—19)

65—405(2,50—16)

Гарантийный пробег шин для

мотоциклов и мопедов, км

без коляски

19000/20000*

20000

15000

20000

20000/24000*

—

—

14000
16000/20000*

с коляской

—

—
—

14000

14000/16000*

18000

21000

—

—

Гарантийный пробег для шин, выпускаемых со Знаком ка-

чества.

Таблица 9

ГАРАНТИЙНЫЙ ПРОБЕГ ШИН ДЛЯ СПОРТИВНЫХ

МОТОЦИКЛОВ

Назначение шин

Гарантийный пробег шин, км

Шины мотоциклов без коляски для

шкг

с коляской для

Шины мотоциклов

шкг

Шины мотоциклов для кросса

Шины мотоциклов для многодневных

соревнований

250

150

500

1500

Нормальная причина выхода из эксплуатации дорож-

ных шин — равномерный износ протектора при пробеге

не меньше предусматриваемого гарантийными норма-

ми. Шина преждевременно может выйти из строя из-за

некачественного ее изготовления или неправильной эк-

сплуатации. Максимально возможный пробег шины до-

стигается только при строгом соблюдении правил их эк-

сплуатации.

Рассмотрим основные положения, связанные с экс-

плуатацией шин.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ШИН
ДОРОЖНЫХ МОТОЦИКЛОВ

Внутреннее давление в шинах. Практика показывает,

что наиболее характерный случай нарушения правил

эксплуатации мотоциклетных шин —: несоблюдение норм

давления в шинах.

Рассмотрим два случая.

1-й случай — шина эксплуатируется при понижен-

ном давлении. Вследствие этого увеличивается ее ра-

диальный прогиб. Каркас покрышки подвергается боль-

шим знакопеременным деформациям, возрастают на-

пряжения в нитях корда. Кроме того, повышенная де-

формация каркаса сопровождается увеличенным теп-

лообразованием. Все это приводит к тому, что усталост-

ная прочность каркаса падает, уменьшается прочность

связи между деталями покрышки. В результате шина

может преждевременно выйти из строя из-за излома

каркаса, отслоения протектора и т. п. При осмотре по-

крышки, работавшей при пониженном давлении, на

внутренней части боковины в зоне наибольшей дефор-

мации наблюдается черная полоса «намола»—крошки

резины, возможно даже оголение или (при изломе карка-

са) разрушение нитей корда.

Шины, работающие при пониженном давлении, имеют

большую площадь контакта с дорогой, чем при нор-

мальном давлении. За счет этого несколько уменьшается

среднее удельное давление, однако фактические удель-

ные давления по зоне контакта несколько перераспреде-

ляются. Так как средняя часть протектора прогибается

внутрь шины, удельное давление уменьшается в центре

беговой дорожки и значительно возрастает в крайних

зонах. При этом в крайних зонах резко увеличивается

износ протектора (вследствие более интенсивного про-

скальзывания и увеличенного удельного давления), в

связи с чем шина изнашивается быстро и неравномерно.

При эксплуатации шин при пониженном давлении

значительно увеличиваются потери мощности в шине на

качение, возрастает коэффициент сопротивления каче-

нию. Это приводит к уменьшению максимальной скоро-

сти движения мотоцикла (на дорогах с твердым покры-

тием), увеличению удельного расхода топлива.

Пониженное давление снижает сопротивляемость

шин динамическим нагрузкам. Хотя на удовлетвори-

тельной дороге (булыжник, «гребенка» и т. п.) плав-

ность хода мотоцикла несколько улучшается, при наезде

на большой скорости на какое-либо препятствие —

рельсы, камни, ямки (в асфальте) и т. п. — может про-

изойти «пробой» шины до обода. В этом случае наряду

с возможным разрушением шины происходит деформа-

ция обода колеса.

Снижение давления в шине приводит также к

уменьшению ее боковой жесткости, т. е. к ухудшению

управляемости мотоциклом и его устойчивости, увели-

чению возможности заноса и, значит, уменьшению без-

опасности езды.

При понижении давления в шине уменьшается на-

дежность ее крепления на ободе. В то же время шины

находятся под постоянным воздействием моментов (кру-

тящего — для заднего колеса, тормозного — для зад-

него и переднего и сопротивления движению — для всех

колес), стремящихся провернуть шину относительно

обода.

При некотором критическом значении давления мо-

мент трения между шиной и ободом становится меньше

момента внешних сил, действующих на шину. Происхо-

дит проворачивание шины относительно обода с одно-

временным вырывом вентиля и, следовательно, полной

потерей давления. Поскольку заднее (ведущее) колесо

мотоцикла практически постоянно находится под воз-

действием крутящего или тормозного моментов, вероят-

ность проворачивания на нем шины больше, чем на дру-

гих колесах,

55

При полном падении давления устойчивость и уп-

равляемость мотоцикла, особенно при движении с вы-

сокой скоростью, ухудшается настолько, что даже очень

опытный водитель не всегда может сохранить направ-

ление движения мотоцикла и его устойчивость до пол-

ной остановки. Особенно опасен вырыв вентиля в шине

переднего колеса, так как в этом случае даже мотоцикл

с боковым прицепом, имеющий большую устойчивость,

чем одноколейный мотоцикл (без коляски), становится

практически неуправляемым.

Следует помнить, что при вырыве вентиля шина, как

правило, выходит из строя вследствие повреждения ее

ободом.

2-й случай — шина эксплуатируется при повышен-

ном давлении. Повышенное против нормы давление в

шине сопровождается уменьшением ее радиальной де-

формации и, следовательно, уменьшением площади кон-

такта. Удельные давления в зоне контакта увеличивают-

ся, особенно в средней части, что приводит к значитель-

ному увеличению интенсивности износа центральных

элементов рисунка протектора.

При увеличении удельных давлений в контакте ухуд-

шается проходимость мотоцикла по мягкому грунту.

Уменьшение площади контакта приводит к ухудше-

нию тормозных качеств шин, особенно на мокрой доро-

ге. Результатом повышенного давления является уве-

личение динамической жесткости шин и, значит, ухуд-

шение плавности хода мотоцикла (комфортабельно-

сти). Поглощение энергии шиной уменьшается, значит,

увеличиваются динамические нагрузки на ходовую часть

мотоцикла.

Кроме того, при повышении давления в шине умень-

шается запас прочности каркаса. Возрастают напряже-

ния в нитях корда, и быстрее наступает его усталость.

При воздействии на шину динамических сосредоточен-

ных нагрузок — наезды на различные препятствия, осо-

бенно на большой скорости — повышается вероятность

разрыва каркаса. Разрыв каркаса происходит, как пра-

вило, в зоне протектора и имеет крестообразный или

диагональный характер.

Учитывая, что при длительном непрерывном движе-

нии мотоцикла, особенно в жаркую погоду, давление в

шинах несколько повышается (из-за нагрева воздуха в

56

шинах), все вышеуказанные явления еще более усу-

губляются.

Необходимо отметить, что шины, разрушенные

вследствие эксплуатации их при пониженном или по-

вышенном давлении, ремонту не подлежат.

Таким образом, одно из важнейших условий пра-

вильной эксплуатации шин — строгое соблюдение норм

давления. Учитывая, что распределение веса по колесам

мотоциклов очень неравномерно (согласно особенности

его компановки) и вес пассажиров составляет до 100%

от общего веса полностью снаряженного мотоцикла,

необходима строгая дифференциация давлений в шинах

в зависимости от нагрузок (загрузки мотоцикла).

В то же время совершенно очевидно, что корректи-

ровка давления в шинах в случаях очень часто меняю-

щихся нагрузок на них — при небольших пробегах с

постоянно меняющимся числом пассажиров — не-

удобна.

Поэтому рекомендуется давление в шинах мотоцик-

ла устанавливать исходя из преобладающей по пробегу

загрузки мотоцикла, допуская кратковременное несоот-

ветствие давления в шинах фактической нагрузке на

них. Однако при длительных пробегах давление в ши-

нах должно быть обязательно доведено до нормы, соот-

ветствующей измененной нагрузке.

В табл. 10 приведены практические рекомендации

по соотношению норм давлений и нагрузок для дорож-

ных шин.

Давление в шинах следует проверять перед каждым

выездом специальным манометром марки МД-214. Не-

обходимость столь частой проверки давления объясняет-

ся тем, что даже не имеющая повреждений камера мо-

жет пропускать воздух через стенки в силу некоторой

газопроницаемости. Кроме того, возможна незначитель-

ная утечка воздуха через клапан золотника вентиля,

особенно при эксплуатации шин без предохранительно-

го колпачка.

Колебание давления в мотоциклетных шинах допус-

кается в пределах ±0,1 кгс/см

2

 от установленной нормы.

При проверке внутреннего давления в шинах в до-

роге может оказаться, что давление несколько повыси-

лось из-за нагрева шины при качении. В этом случае

корректировать давление не следует.

57