Effect of tires air pressure on operation of vehicle. Reasons for changes in tires air pressure

Full Text

Шины, на сегодняшний день, были и остаются самым активным элементом безопасно- сти автомобиля. Все рулевые реакции между дорогой и транспортным средством проходят через шины. За последние 15 лет не только конструкторские решения самой шины, но так же, технологические процессы изготовления самих шин шагнули далеко вперед. Но тем не менее давление газа в шине было и остается самым нестабильным параметром в правильной эксплуатации шины. Шины легковых автомобилей являются наиболее нагруженным и дорогостоящим эле- ментом автомобиля. В процессе эксплуатации они испытывают статические и динамические нагрузки, которые вызывают соответствующие деформации. При статических нагрузках де- формация шины зависит от внешней нагрузки и внутреннего давления газа в ней. В резуль- тате статической деформации происходит уменьшение профиля шины, увеличение ширины профиля и площади контакта с дорогой, уменьшается ее радиус. Радиальная динамическая нагрузка вызывает деформацию шины, перемещающуюся по окружности при качении коле- са. Каждый элемент профиля шины за один оборот колеса претерпевает цикл нагружения и разгружения (циклические деформации). Установлено, что для шины ведущего колеса де- формация в окружном направлении распространяется приблизительно на 120 градусов по центральному углу, в передней части шины будет наблюдаться сжатие, а при выходе из кон- такта - растяжение. В автомобиле ВАЗ 2112 при скорости передвижения 80 км/час участки шины испытывают 12 деформаций в секунду. Каждая шина при нормальной эксплуатации выдерживает до 25...35 млн. циклических деформаций. По данным многочисленных иссле- дований динамические нагрузки превышают статические в 2…3 раза, а при наезде на пре- пятствия - в 6…8 раз. Установлено, что затраты на шины в процессе эксплуатации автомо- биля составляют от 18 % до 25 % всех эксплуатационных расходов. Автомобили эксплуати- руются во всех климатических зонах земного шара в тяжелых условиях: снег, дождь, грязь и т.д. Правильное давление газа в шинах автомобиля было и остается главным показателем правильной и безопасной эксплуатации автомобильных шин. В процессе эксплуатации до- рожного транспортного средства на давление газа в шинах влияет целый ряд различных фак- торов таких как температура и атмосферное давление окружающей среды, режим движения автомобиля, а так же его загрузка. Немалую роль на изменение давления воздуха в шинах играет манера вождения автомобиля самим водителем - интенсивный разгон с буксованием колес автомобиля или резкое торможение, торможение юзом. По данным ГИБДД РФ за пе- риод с 2013 по 2014 гг. причиной ДТП с участием грузового транспорта и междугородних автобусов дальнего следования, является нарушение правил эксплуатации, как самой авто- мобильной шины (сильный износ рисунка протектора шины, несоблюдения направленности рисунка протектора шина с направлением вращения колеса транспортного средства, разно- размерность типоразмеров шин, а так же различие сезонности автомобильных шин установ- ленных на одно транспортное средство), так и не соблюдение и не поддерживание нормиро- ванного давления воздуха в самих шинах автомобиля, в зависимости от условий эксплуата- ции транспортного средства (темп движения, максимальная скорость движения, загрузка транспортного средства с правильным распределением нагрузки по осям автомобиля). Не- нормированное давление в шинах автомобиля (как избыточное, так и недостаточное) не только пагубно сказывается на устойчивости и управляемости автомобиля, но так же может привести к разрушению самой шины, что в процессе движения, особенно при движении с высокими скоростями, может быть причиной серьезного ДТП. Несоблюдение нормирован- ного давления в шинах приводит к преждевременному износу шин, увеличивает выброс в окружающую среду крайне вредной резиной пыли. Недостаточное давление в шинах транс- портного средства при его значительной загрузке приводит к перерасходу топлива, что ска- зывается главным образом на экологию. Ранее уже было установлено, что изменение давления на каждые 15,3×10-3 МПа (0,15 кгс/см2) в диапазоне давлений воздуха 17,3×10-3 …22,4×10-3 МПа (1,7…2,2 кгс/см2) так же приводит к соответственному изменению сопро- тивления качению, примерно, на 5%. Исследования различных компаний - мировых производителей шин таких, как Michelin, Pirelli, Goodyear показали, что в Европе большинство водителей не придают особо- го значения за контролем давления в шинах, мало того, правильное, нормированное давление в шинах, соответствующее определенному транспортному средству было обнаружено только у ¾ части всех проверенных в данном исследовании автомобилей. Так же было установлено, что водители грузовой техники, в особенности водители дальнего следования («дальнобой- щики»), к контролю давления в шинах автомобиля и поддержанию его в необходимом диа- пазоне требуемых значений относятся более серьезно, нежели водители легковых автомоби- лей. Владельцы легковых автомобилей относятся к проблеме соблюдению нормированного давления в шинах автомобиля более чем халатно. Проведенные исследования в России были такими же неутешительными, как и у зару- бежных коллег. Большинство водителей легковых автомобилей, не проводят периодический контроль давления в шинах своего автомобиля, хоть это можно выполнить самостоятельно, особенно это касается водителей женского пола. В подавляющем большинстве случаев, кон- троль за давлением воздуха в шинах, а так же доведение его до «сомнительной» нормы, про- исходит два раза в год на шиномонтажном посту при замене летних шин на зимние или наоборот. Водители же транспортных средств специального назначения и грузовой техники наоборот - уделяют не малое значение контролю и поддержанию нормированного давления в шинах автомобиля. Несоблюдение нормированного давления в шинах не только грузовых автомобилях и автомобилях специального назначения, может привести к тяжел последстви- ям, таким как, выход транспортного средства из строя из за внезапного разрушения самой шины или может быть причиной серьезного ДТП, с последующим выводом автомобиля из эксплуатации. Нормированное давление в шинах автомобиля не только позволяет безопасно эксплуатировать транспортное средство, но так же позволяет снизить экономические затра- ты, связанные с преждевременным износом шин. На сегодняшний день шины остаются са- мым дорогостоящим расходным элементом при эксплуатации ТС. Гиганты мирового автомобилестроения уже как 10 лет назад задумались над проблемой контроля давления воздуха в шинах легковых автомобилей. Многоцелевые и армейские ав- томобили уже давно оснащены системой контроля и управления за давлением воздуха. Дан- ные системы стали обязательным требованием к автомобилям данных категорий сразу после окончания Второй Мировой войны. В данном случае возможность управляемого изменения давления в шинах обусловлена соображениями достижения наилучшей проходимости транс- портного средства в условиях бездорожья и сохранения боеспособности (работоспособно- сти) машины. Данная система позволяет задавать необходимое давление в шинах в зависи- мости от загрузки транспортного средства и типа дорожного покрытия. Задание необходимо- го давления осуществляется водителем вручную и требует постоянного контроля и регули- рования в зависимости от изменяющихся внешних факторов. Для легковых же автомобилей, требование о возможности контроля давления газа в шинах стало обязательным с 2009 г. По действующему во многих странах законодательству повсеместное использование системы измерения давления в шинах совместно с маркировкой шин и системой ESP входит в программу мер, принятых в 2009 году Европейской Комиссией с целью повышения безопасно- сти автомобилей, и вступило в силу в 2012 году. Наличие TPMS стало обязательным для всех новых моделей автомобилей категории М1 - транспортных средств, используемых для пере- возки пассажиров и имеющих, помимо места водителя, не более восьми мест для сидения. С 1 ноября 2012 года все новые модели автомобилей должны быть оснащены системой кон- троля давления в шинах. С ноября 2014 года данное обязательство распространяется на все виды автомобилей. Для автомобилей потребительского класса предлагаются различные системы контроля за давлением воздуха в шинах как дополнительная внешняя опция, использующая техноло- гию Bluetooth. На данное время такие системы предлагают не только именитые производите- ли шин, такие как Nokian Tyres и Pirelli, но и различные китайские производители начинают всё больше и больше завоевывать рынок. Стоимость большинства таких данных систем, включающих в себя датчики давления газа, устанавливаемые на каждом колесе автомобиля, и информационного табло, размещаемое в салоне автомобиля в зоне видимости водителя, не превышает 200$ за комплект. Но исследования показывают, что 98% процентов автовла- дельцев легковых автомобилей пренебрегает данной системой контроля, считая её посред- ственной и ненужной. Но при этом большинство водителей легковых автомобилей не спо- собны определить резкое падение давления газа в шине при её повреждении, и продолжают движение уже на «спущенной» шине, что приводит к невосстанавливаемому повреждению колеса и самой шины. Поведение автомобиля, движущегося с высокой скоростью, в такой дорожной ситуации непредсказуемо, особенно в зимний период времени, и может привести к серьёзным ДТП. На автомобилях же представительского класса наибольшее распространение получили две технологии контроля за давлением газа в шинах: TPMS непрямого типа и TPMS прямого типа. Рассмотрим основной принцип действия каждой технологии по отдельности: TPMS непрямого типа. Соединённая с программой ABS и ESP, данная система измеряет разницу угловых скоростей вращения колёс. Увеличение угловой скорости вращения ко- леса указывает на уменьшение диаметра колеса в сборе с шиной, и, следовательно, на по- терю давления в шине. Такая система неперспективна, поскольку в целом ненадежна и не показывает точного давления газа в шинах автомобиля. Однако она простая и недорогая. Но, тем не менее, такая система способна информировать водителя о резком падении давления в шине автомобиля. Как правило водитель видит предупреждающий сигнал об опасности на дисплее или на приборном щитке автомобиля. TPMS прямого типа. В данном случае используется электронный датчик, расположенный в клапане (ниппеле) шины или закреплённый на ободной части колеса внутри шины, из- меряющий её давление и передающий информацию по радиосигналу приёмному устрой- ству, которое транслирует результаты на бортовой компьютер автомобиля. Преимуще- ства такого типа TMPS - высокая точность и мгновенные результаты измерений. Так же к преимуществу данной системы можно отнести возможность мониторинга каждой шины автомобиля по отдельности. Водитель получает всю необходимую информа- цию о состоянии шин на дисплей, а так же получает предупреждающий сигнал об угрозе при резком падении давления в шинах автомобиля. Недостатком же этой системы является не только её цена, но так же невозможность работоспособности всей системы при замене ко- лесного диска. Для переноса данного датчика необходимо провести разборку-сборку всего колеса и перенести датчик на новый диск. Так же данные датчики зачастую страдают при проведении шиномонтажных работ. В климатическом отношении Россия находится в пределах арктического, субарктиче- ского, умеренного и субтропического природно-климатических поясов. Давление в шинах транспортного средства под действием различных причин постоянно изменяется. Изменения в давлении воздуха в шине, по сравнению с исходным, происходит под воздействием множества различных факторов. Среди множества факторов, выделим в первую очередь температуру и давление воздуха окружающей среды. В климатическом отношении Россия находится в пределах арктического, субарктического, умеренного и субтро- пического природно-климатических поясов. Поэтому среднесуточная температура воздуха в некоторых регионах может изменяться в пределах ±25°С. Подобные среднесуточные перепа- ды температуры характерны для южных и горных регионов. На рисунке 1 показан график изменения среднесуточной за 10 июля 2014г. в разных регионах России. Рисунок 1. Изменения температуры окружающей среды в течение суток за 10.07.2014 г. Выставить заранее нормированное давление в шинах автомобиля невозможно, т.к. нахождение автомобиля длительное время под солнцем может привести к значительному увеличению давления в шинах автомобиля за счёт очевидного нагрева поверхности шин с отличной теплопоглощающей способностью. Прямое попадание солнца на шины одного борта автомобиля во время его стоянки приводит к ощутимой разности давлений в шинах по бортам автомобиля, что сказывается на его устойчивости и управляемости. Изменение давления газа в шинах автомобиля только под действием температуры воз- духа за определенно рассматриваемый момент времени можно записать в виде формулы (1): p  p0  ptв , (1) где: р - давление в шине в рассматриваемый период времени; p0 - давление в шине в начальный момент времени; ptв - изменение давления в шине при изменении температуры воздуха окружающей среды. минального значения. Вторым значимым фактором изменения давления газа в шинах автомобиля является изменение атмосферного давления воздуха окружающей среды. Как и температура воздуха, значение атмосферного давления так же может колебаться в значительных пределах, что ска- зывается на изменении давления в шинах автомобиля как в большую, так и в меньшую сто- рону от но Рисунок 2. Изменения атмосферного давления окружающей среды в течение суток за 10.07.2014 г. Изменение атмосферного давления в течение суток за 10 июля 2014г. в разных регио- нах России представлено на рисунке 2. Изменение давления газа в шинах автомобиля только под действием атмосферного давления воздуха окружающей среды за определенно рассматриваемый момент времени можно записать в виде формулы (2): p  p0  pвф , (2) где: р - давление в шине в рассматриваемый период времени; р0 - давление в шине в началь- ный момент времени; ∆рвф - изменение атмосферного давления за рассматриваемый период времени. Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что только под действием таких при- родных факторов, как температура воздуха и атмосферное давление окружающей среды, из- менение давления газа в шинах автомобиля происходит по следующему закону (3): p  p0  pвф  ptв . (3) Так же не следует забывать и о диффузии газа, заполняющего внутренний объём шины автомобиля. Диффузия проходит как через саму автомобильную шину, так и через места прилегания шины к ободу колеса, а так же через вентиль. Но благодаря новым технологиям и материалам применяемым при изготовлении автомобильных шин потери вызванные диффу- зией газа крайне малы, поэтому ими можно пренебречь. Следующим важнейшим фактором, действующим на изменение давления газа в шинах, является нагрев шины. Нагрев шины происходит вследствие её контакта с дорожным полот- ном за счёт трения, что особенно характерно при движении с относительно высокими скоро- стями и нагрузкой. Экспериментально было установлено (исследования по замеру давления в шинах автомобиля проводились на автомобиле Porsche Macan), что при длительном движе- нии на автомобиле с высокой скоростью в летний период времени (температура окружаю- щей среды +20°С), давление в шинах увеличивается в среднем на 30,6×10-3 МПА (0,3 кгс/см2). А при движении в зимний период времени (температура окружающей среды -15°С) давление остается практически постоянным. Данное явление связано с относительно хоро- шим отводом тепла от шины холодным встречным потоком воздуха, а так же значительным теплоотводом при взаимодействии шины с промёрзшим дорожным полотном. Изменение давления воздуха в шинах автомобиля только под действием нагрева шины за определенный рассматриваемый момент времени можно записать в виде формулы (4): pд  p0  pэ , (4) где: ∆рэ - влияние факторов увеличения температуры шины при движении на изменение давления в шинах автомобиля. Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что закон полного изменения давления газа в шинах автомобиля можно представить в виде формулы (5): p  p0  pвф  ptв  pэ . (5) Ранее было установлено, что с увеличением нагрузки коэффициент сопротивления ка- чению возрастает, т. к. изменяется пятно качения. При изменении нагрузки существует по- чти линейная зависимость между силой сопротивления качению и нагрузкой на колесо. Известно, что давление воздуха в шинах непосредственно влияет на параметры управ- ляемости и устойчивости автомобиля, зависит от максимальной нагрузки на колесо и опре- деляет его пятно контакта с дорогой, что сказывается на коэффициенте сопротивления каче- нию. При изменении нагрузки существует почти линейная зависимость между силой сопро- тивления качению и нагрузкой на колесо. Однако влияние этого фактора можно компенсиро- вать повышением давления воздуха в шинах до некоторого допустимого и заявленного авто- производителем значения. Но задаваемые автопроизводителями значения давления воздуха в шинах, как правило, соответствуют только минимальной и максимальной загрузке автомо- биля без учета распределения нагрузки по осям и, при условии, что движение будет проис- ходить по горизонтальной асфальтированной дороге. На самом же деле существует множе- ство значений тп входящих в предел тmin≤mn≤mmax, которым заданные автопроизводителем давления pmin и pmax соответствующие значениям тmin и mmax не будут удовлетворять. Здесь тmin - минимальная нагрузка; pmin - минимальное давление соответствующее тmin; тmax - максимальная нагрузка; pmax - максимальное давление соответствующее тmax; mп - нагрузка входящая в предел тmin≤mn≤mmax; pn - давление соответствующее mп. Регулировать давление в шинах за короткий период времени вручную так же является не возможным, т.к. значение нагрузки тп может изменятся непредсказуемо - скачкообразно, например, посадка - высадка пассажиров. Как было сказано выше, изменения коэффициента сопротивления качению и площади пятна контакта при изменеии загрузки автомобиля можно считать линейными. Автопроизво- дитель задает оптимальное минимальное и максимальное значения давления воздуха в ши- нах конкретного автомобиля, которые соответствуют минимальной и максимальной нагруз- кам. График изменения давления воздуха в шине в зависимости от нагрузки можно предста- вить следующим образом (рисунок 3). Рисунок 3. Изменение давления в зависимости от нагрузки Вторым фактором, влияющим на изменение пятна контакта, является скорость движе- ния автомобиля. С увеличением скорости движения автомобиля линейно возрастает угловая скорость вращения колес. С ростом угловой скорости колеса увеличивается центростреми- тельная сила действующая на шину. Под действием центростремительной силы изменяется пятно контакта шины с опорной поверхностью. Было установлено, что процесс увеличения центростремительной силы для различных типоразмеров шин легковых автомобилей прак- тически идентичен. Процесс изменения центростремительной силы для различных типораз- меров шин показан на рисунке 4. На основании рисунка 4 можно смело утверждать, что увеличение центростремитель- ной силы имеет квадратичную зависимость и может быть представлено в виде следующей формулы: n F  0, 47 V 2  0, 67 V  0, 27 , (6) где: Fn - центростремительная сила действующая на шину в пятне контакта шины ч опорной поверхностью; V - скорость движения автомобиля. Так же из графика (рисунок 4) наблюдаем, что до скорости движения автомобиля 40 км/ч центростремительная сила практически не изменяется и остается постоянной. Далее наблюдается заметное ее увеличение по параболе. Под действием центростремительной си- лы нарушается пятно контакта шины автомобиля с опорной поверхностью. Можно утвер- ждать, что изменение пятна контакта шины описывается такой же зависимостью, что и изме- нение центростремительной силы. Для сохранения оптимального пятна контакта при движении автомобиля с высокими скоростями автопроизводитель рекомендует повышать давление в шинах от номинального значения на 10…15%. Но в реальной жизни движение автомобиля с заранее запланирован- ной постоянной скоростью практически не возможно. Зачастую происходит не равномерное, или смешанное движение с изменением скорости от начала движения до максимальной ско- рости и от максимальной скорости до полной остановки автомобиля. В городской зоне про- исходит умеренное движение с частыми остановками, а в не населенных пунктов скорости движения автомобилей, как правило, значительно возрастают, вплоть до максимально воз- можных, определяемых параметрами их силовых установок. Рисунок 4. Зависимость центростремительной силы, действующей на брекер и протекторный слой шины, от скорости автомобиля Предварительное принудительное повышение давления в шинах, т.е. перед началом движения, не всегда оправданно и небезопасно. Автомобиль на заведомо «перекаченных» и «непрогретых» шинах с момента начала движения до достижения оптимальной скорости может повести себя не предсказуемо. Заранее заданное заведомо избыточное давление воз- духа в шинах может спровоцировать заметное ухудшение устойчивости, управляемости, комфортабельности, увеличение тормозного пути, а, следовательно, и снижение безопасно- сти автомобиля в целом. Выводы Проследить за множеством факторов, оказывающих влияние на давление газа в шине автомобиля весьма затруднительно. Заранее выставить оптимальное давление в шинах авто- мобиля как показывает практика тоже невозможно. Единственным решением данной про- блемы является создание отдельной системы контроля за давлением воздуха в каждой шине автомобиля, а так же, создание автоматической системы управления этим давлением - дове- дение до необходимого давления газа в каждой шине и его поддержание в зависимости от загрузки и скорости движения ТС, и информирования водителя о резком падении давления в случае, допустим, повреждения шины. Такая система позволит повысить безопасность и эко- логичность автомобиля в целом, положительно повлияет на его устойчивость, управляемость и топливо - экономические показатели.

About the authors

A. O Smirnov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: avt@mami.ru
+7 495 223-05-23, ext. 1204

A. F Kolbasov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: avt@mami.ru
+7 495 223-05-23, ext. 1204

V. P Monakhov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: avt@mami.ru
+7 495 223-05-23, ext. 1204

References

Supplementary files