книги из ГПНТБ / Петров М.А. Работа автомобильного колеса в тормозном режиме

Протектор повышенной проходимости образуется массив­ ными выступами-грунтозацепами, между которыми распола­ гаются широкие канавки, выходящие на край беговой дорож­ ки (рис. 1.2 в). Шины с таким рисунком обеспечивают хоро­ шее сцепление при работе на грунтовых дорогах и в условиях бездорожья, но на дорогах с твердым покрытием имеют пло­ хие показатели как по износостойкости, так и по сцепным ка­ чествам.

Рисунок протектора специальных шин подбирается приме­ нительно к конкретному назначению данной шины. Например, «зимний» рисунок (рис. 1.2 г) имеет узкие щелевидные канав­ ки различных направлений, что обеспечивает концентрацию давления по кромкам выступов, и тем самым повышаются сцепные качества шины на заснеженных и обледенелых до­ рогах.

При выборе типа рисунка протектора руководствуются назначением шины и вытекающими отсюда основными требо­ ваниями, предъявляемыми к ней.

Перечисленные части покрышки после сборки и вулкани­ зации образуют ^анизотропную оболочку, способную к мно­ гократной деформации во всех направлениях под действием различного сочетания сил и моментов между опорной поверх­ ностью и колесным диском.

Основные размеры сечения некоторых моделей шин оте­ чественного производства приведены в таблице 1.1.

§ 3. Физико-механические свойства резины

Основным материалом шины является резина, которая представляет собой высокоэластичный материал, получаемый

20ч-30 кгс/см2.

В свою очередь, резиновая смесь составляется из нату^ рального или синтетического каучука (55ч-65% по весу), на­ полнителей (30ч-40%), вулканизирующего вещества и уско­ рителей (3,0ч-4,0%), мягчителей (1ч-2%)и противостарителей (1,0ч-1,5%). Перед вулканизацией резиновая смесь тща­ тельно перемешивается с целью получения однородного сос­ тава по всему объему материала и формируется в изделия.

Резина и ее основа — каучук являются эластомерами, т. е. полимерными материалами с резко выраженной способно­ стью к высокоэластической деформации. Причем эти дефор­

10

мации развиваются при сравнительно низких напряжениях и могут достигать 500ч-700% от начального размера.

Характерной особенностью для эластомеров также явля­ ется тот факт, что напряжение при деформации со временем снижается, т. е. происходит релаксация напряжения. Так как в реальных условиях нагружение производится с некоторой скоростью, механические свой­ ства резины определяются как ее упругими свойствами при равновесии, так и релаксационными свойствами, связанными со скоростью установления этого равновесия. Релаксаци­ онный процесс протекает тем быстрее, чем выше температу­ ра, поэтому весь комплекс ме­ ханических свойств резины . в большей степени зависит от ее температуры.

Указанные особенности по­ ведения резины под нагрузкой находят отражение в структу­ ре различных схем, моделиру­ ющих механические свойства подобных материалов [5, 6, 7, 8]. В качестве примера можно привести механическую мо­ дель, состоящую из двух па­ раллельно включенных пру­ жин и соединенного последо­ вательно с одной из них жид­ костного демпфера (рис. 1.3). Согласно этой модели, мгно­

венно приложенное напряжение о растягивает обе пружины и вызывает общую деформацию X, которая зависит от вели­ чины равновесного ( Е&) и неравновесного (Е ->) модулей уп­ ругости. Одновременно в демпфере начинается перемещение поршня и перетекание жидкости, зависящее от ее динамичес­ кой вязкости (г)), вследствие чего уменьшается деформация последовательно включенной пружины, а значит и общее нап­ ряжение а, т. е. происходит релаксация. Через определенное время установится какое-то значение напряжения о«,, практи­ чески мало меняющееся в дальнейшем [9].

11

,Пробояхительноыпь. мин

Рис. 1.4. Релаксация напряжения при сжатии резиновых образцов из натурального каучука:

Д — образцы треугольной формы; О — образцы круглой формы; □ — образцы квадратной формы.

На рис. 1.4 приведена экспериментальная зависимость ре­ лаксации напряжения при сжатии образцов, изготовленных на основе натурального каучука [10]. Характер зависимости свидетельствует о том, что основное падение напряжения про­ исходит за первые 10 минут и составляет около 8% от на­ чального напряжения.

Следует отметить, что приведенная модель механических . свойств резины является лишь первым приближением к фак­ тическому поведению резины при деформациях. Действитель­ ные процессы релаксации многообразны и имеют длитель­ ность от 0,00001 сек. до нескольких лет. Последнее характе­ ризует наличие «памяти» у полимеров, выражающейся зави­ симостью деформативных свойств материала образца от его предыстории.

Статическое нагружение резины

Несмотря на наличие зависимости механических свойств резины от времени действия напряжения, в инженерных рас­

12

статистической теории Куна [5, 42], количественная связь между напряжением и однородной объемной деформацией образца резины (рис. 1.5) определяется зависимостями:

а1 — S2= K (>Ч — /'?))

где

щ; 0 2 ; о3 — главные напряжения;

—относительные деформации;

К— модуль упругости материала.

Из приведенных уравнений следует, что при заданных ве­ личинах деформации можно определить только разности между соответствующими главными напряжениями. Ввиду практической несжимаемости резины (коэффициент Пуассо­ на |.і= 0,47-к0,49) добавление равных напряжений по всем направлениям не изменяет соотношения деформаций, и на­ пряжения остаются неопределенными. В том случае, когда известно хотя бы одно главное напряжение, уравнения (1.1) приводят к единственному решению.

Простое растяжение-и сжатие (02=0; сг3= 0 )

В этом случае начальный размер образца увеличивается в направлении действия напряжения до а два других раз­

мера уменьшаются до величины ~у^= (иа основании равен­

ства объемов до и после деформации). Согласно уравнениям (1.1) имеем:

или,' переходя к условным напряжениям оу, т. е. силе, отне­ сенной к единице сечения образца, измеренного в недеформированном состоянии, получим:

Характер этой зависимости свидетельствует о существен­ ной нелинейности в области больших деформаций, а поэтому классический модуль Юнга целесообразно применять лишь для расчетов малых деформаций.

13

Рис. 1.5. Схематическое изображение однородной деформации: а — образец до деформации; б — образец после деформации.

Одноосное растяжение и сжатие в бесконечной среде (продольная объемная деформация)

Если тонкий плоский образец, имеющий большую пло­ щадь, подвергается в направлении его толщины действию рас­ тяжения или сжатия, то происходят изменения как формы, так и объема образца. Но в этом случае преобладают измене­ ния объема, так как напряжения, возникающие в окружаю­ щей среде, препятствуют деформации образца.

В результате деформация в направлении действующей силы'фактически будет определяться свойствами образца к изменению объема, т. е.

Принимая во внимание, что объемный модуль К равен:

1 — 2 р . ’

и, подставив значения коэффициента Пуассона для резины, получаем:

К = (6 + 3 3 )Е . (1.6)

Таким образом, крайние значения этого модуля могут от­ личаться во много раз. Реальные условия работы резины в

14

различных конструкциях, в том числе и в элементах шины, являются сочетанием рассмотренных крайних случаев. В свя­ зи с этим деформативные свойства резиновых элементов мо­ гут значительно изменяться в зависимости от условий рабо­ ты. По имеющимся данным [12], деформация сжатия рези­ нового образца при одной и той же нагрузке может изме­ няться в 4ч-6 раз при различных условиях контакта с опор­ ными поверхностями. Деформация образца зависит также от соотношения боковых и торцевых поверхностей. Изменением площади боковой поверхности (площади «вспучивания») за счет увеличения высоты образца можно в несколько раз из­ менить его жесткость.

Динамическое нагружение резины

Наличие релаксации напряжения в деформированной ре­ зине обусловливает зависимость ее упругих свойств от вре­ мени и температуры. Модули упругости слагаются из равно­ весной и неравновесной составляющих, т. е.

ния), что приводит к возрастанию суммарных (динамических) модулей упругости. Изменение модулей весьма существенно для кратковременного нагружения (ІО-8 сек.), а в диапазоне от 0,001 сек. до 1,0 сек. находится в пределах 140% [6; 41].

Другим следствием релаксации напряжения является зна­ чительное несовпадение упругих характеристик при нагру­ жении и разгрузке резинового образца, т. е. проявление внут­ реннего трения.

Количественной оценкой внутреннего трения является раз­ ность между работой, затраченной при нагружении, и рабо­ той, полученной при разгрузке. Эта разность зависит от пара­ метров образца, режима деформирования и от температуры, при которой проводится процесс деформирования. Причем влияние температуры и скорости деформирования проявля­ ется аналогично, что позволяет использовать метод темпе­ ратурно-временного приведения к исследованию динамиче­ ских свойств резины [13].

15

тавляющая. Соотношение между ними также в значительной мере зависит от удельного давления, шероховатости, темпера­ туры и скорости относительного перемещения трущихся по­ верхностей.

Количественную оценку внешнего трения обычно произво­ дят через максимальную силу трения, соответствующую дан­ ному режиму нагружения, или через коэффициент трения ц, который равен отношению этой силы к нагрузке, сжимающей трущиеся тела [22].

В настоящее время имеются многочисленные эксперимен­ тальные данные о влиянии на величину внешнего трения раз­ личных факторов, характеризующих условия контактирования трущихся тел, в том числе и резины. На основании этих экс­ периментов выявлено, что коэффициент трения почти в равной мере зависит от сочетания материалов, конструкции фрик­ ционной пары и режима работы, который обусловливает из­ менения, протекающие как в материале, так и в геометричес­ ком очертании неровностей. Поэтому получение надежных зна­ чений коэффициентов трения, которые могли бы быть воспро­ изведены, требует исключительной тщательности и точного контроля условий опыта [23].

Несмотря на указанную трудность, работами советских и зарубежных ученых установлено, что при контактировании резины с недеформируемыми поверхностями основным фак­ тором, влияющим на коэффициент трения, является фактиче­ ская площадь контакта. Эта площадь, в свою очередь, зави­ сит от геометрии поверхности, от степени чистоты ее, а также

от нагрузки.

На рис. 1.7 приведена экспериментальная зависимость ко­ эффициента трения резины от удельного давления, получен­ ная на испытательной установке № 1 (ИУ-1) *. Испытанию были подвергнуты образцы протекторной резины из СКД+ БСК(20:80) ромбической формы площадью 11 см2 и высо­

той 1,8 см.

Полученная зависимость свидетельствует о тенденции к уменьшению коэффициента трения с ростом удельного дав­ ления, что согласуется с данными ранее проведенных иссле­ дований [17] и объясняется квазиэластичной характеристикой резины в зоне контакта. Последнее позволяет предполагать

* Краткая характеристика испытательного оборудования, использован­ ного для получения экспериментального материала, приведенного в работе, помещена в приложении.

18