Почему при растяжении резина нагревается

С изменением температуры очень сильно изменяются свойства резины, причем работоспособность деталей из нее по разным при­чинам уменьшается как при нагревании, так и при охлаждении.

Как следует из рис. 11.4, с понижением температуры резины предел прочности растет, а эластичность падает и при —80°С она становится практически равной нулю.

Отметим, что прочность резины, увеличивающаяся с пониже­нием температуры в первом приближении по линейному закону (рис. 11.4), достигает при —80°С примерно такого же значения, какое при комнатной температуре имеет совершенно лишенный эластичности вулканизат — эбонит.

Таким образом, основным неблагоприятным следствием пони­жения температуры является уменьшение эластичности резины, которая по мере охлаждения приближается по хрупкости к эбони­ту. Уже при —4 °С наиболее распространенные сорта резины не спо­собны обратимо деформироваться в необходимых пределах, и толь­ко вулканизаты на базе специальных морозостойких каучуков со­храняют требующуюся эластичность при температуре —50°С и ниже. Из чего следует, что резиновые изделия в зимнее время требуют к себе пристального внимания и осторожного обращения.

Рис. 11.4. Зависимости предела прочности на растяжение σz и относительного удлинения εz

ре­зины из натурального каучука от температуры

Все работы, связанные с монтажом или демонтажем резиновых деталей в зимнее время, надо проводить, предварительно прогрев их до комнатной температуры. Особенно важно прогревать пнев­матические шины, сильно охладившиеся при длительной стоянке или продолжительной остановке автомобилей на морозе. Такое нагревание происходит само по себе в процессе движения автомо­биля за счет превращения в тепло энергии непрерывного дефор­мирования перекатывающихся шин. Однако первое время после трогания с места холодные шины имеют недостаточную эластич­ность и вследствие этого легко могут быть повреждены в результа­те больших динамических нагрузок. Поэтому сначала машина дол­жна двигаться с небольшой скоростью по наиболее ровным учас­ткам местности или дороги, избегать крутых поворотов, резкого торможения и т.д.

В высшей степени осторожное обращение при зимней эксплуа­тации автомобилей требуется с деталями, изготовленными из бензо- и маслостойкой резины. По сравнению с обычной рези­ной она обладает пониженной морозостойкостью, и поэтому уже при —20 °С изделия из нее становятся хрупкими.

С повышением температуры до ПО… 120°С относительное уд­линение резины увеличивается, а при дальнейшем нагревании, как видно из рис. 11.4, начинает уменьшаться. Переход от роста относительного удлинения к его спаду объясняется наступающим при этих температурах частичным разрывом серных мостиков между макромолекулами каучука, сопровождающимся одновременным резким снижением его эластичности и повышением пластичности.

Другие важные в эксплуатационном отношении свойства рези­ны с повышением температуры изменяются только в худшую сто­рону: прочность, износостойкость и твердость уменьшаются, а ос­таточное удлинение и способность к необратимым деформациям увеличиваются. Так, нагреванию резины с 20 до 100 °С соответству­ет двухкратное и даже трехкратное снижение предела прочности на разрыв. Еще в большей степени уменьшаются в этом случае износостойкость и твердость рези­ны. В результате при повышенной температуре пробег автомобильных шин уменьшается (рис. 11.5).

Кроме того, вследствие сильно­го понижения твердости и проч­ности резины с повышением тем­пературы увеличивается возмож­ность появления надрезов и вы­рывов целых кусков протекторов покрышек при наезде автомоби­лей на всякого рода неровности и препятствия.

Рис. 11.5. Зависимость пробега шин τпр от температуры воздуха tв

Итак, все резиновые детали и в особенности те, которые де­формируются в процессе работы, нужно в некоторых случаях зи­мой подогревать, а летом охлаждать, а также принимать меры по уменьшению их нагревания. В автомобильных шинах надо поддер­живать нормальное давление и не перегружать их. Несоблюдение этих элементарных правил эксплуатации шин ведет к чрезмерно­му тепловыделению в них со всеми вытекающими отсюда вредны­ми последствиями (рис. 11.6, 11.7).

В жару летом возможно значительное нагревание и нормально накачанных неперегруженных шин. В этом случае рекомендуется для их охлаждения периодически делать в пути остановки, а иногда, чтобы не довести до аварийного состояния покрышку вслед­ствие перегрева, — идти на снижение скорости движения, от ко­торой сильно зависит тепловой режим шин (рис. 11.8).

Рис. 11.6. Зависимость температуры воздуха в шине tШот времени про­бега τпр:

1 — при нормальном давлении; 2 — при давлении, пониженном по срав­нению с нормой на 30 %

Рис. 11.7. Зависимость температуры деталей шины tшот времени про­бега τпр при различных нагрузках:

1 — в камере; 2 — в плечевой части шины

Рис. 11.8. Зависимость температуры деталей шины tШот времени про­бега τпр при различных скоростях:

1 — в середине беговой дорожки; 2 — в боковой части

Нагрев шины при ее качении происходит в основном в результате трения в материалах шины, поскольку потери на трение между частицами воздуха в шине ничтожно малы. Механическое и молекулярное трение между структурными элементами покрышки преобразуется в тепловую энергию, а трение о дорожное покрытие – также в тепло и износ протектора.

Температура в той или иной точке шины преимущественно определяется на основе баланса между количеством тепла, создаваемого в данной точке в каждую единицу времени, и возможностью отвода этого тепла.

Если разделить шину на сектора – немного большие, чем сектор, охватывающий пятно контакта шины с дорогой, то можно увидеть, что тепло выделяется в каждом секторе шины. Это происходит циклически только в небольшой промежуток времени, когда сектор приближается и проходит пятно контакта с дорогой. Затем каждый сектор остывает, передавая тепло окружающему воздуху до нового приближения к пятну контакта с дорогой.

В тех местах профиля шины, где толще резина и значительнее деформация, выделяется больше тепла.  На температуру в данной точке шины оказывает также влияние теплообразование в смежных точках. Поэтому во время работы шина имеет различную температуру в каждой точке своего профиля. В начале движения колеса выделенное тепло идет на нагрев тела шины и частично рассеивается в окружающей среде. По мере дальнейшего движения температура шины повышается, и происходит перераспределение тепла между различными зонами профиля шины.

Как посчитать количество тепла при нагреве шины

Количество тепла, создаваемого в единицу времени в той или иной точке шины, определяется видом трения, величиной и скоростью деформации, а также температурой окружающей среды.

Величина трения зависит от свойств материала и загруженности элементов шины. Более нагруженные элементы шины при своей работе выделяют и больше энергии. Молекулярное трение обычно меньше механического трения между отдельными элементами. В тех местах, где не обеспечено хорошее молекулярное сцепление между резиной и кордом, т. е. где преобладает механическое трение, там при работе шины наблюдается быстрое локальное повышение температуры.

Потери на трение возрастают с увеличением деформации шины и скорости движения автомобиля, но уменьшаются с увеличением температуры. Отвод тепла от шины осуществляется благодаря конвекции, теплопроводности и теплоизлучению. Он усиливается при обдуве шины ветром и увеличивается с ростом скорости обдува.

От чего зависит температура шины

Зависимости температуры в точках поперечного сечения шины при качении ее по барабану с различными постоянными скоростями, приведены на рис. 1.

Рис. 1. Зависимости температуры в точках поперечного сечения шины при качении ее по барабану с различными постоянными скоростями

Из рисунка 1 видно, что с повышением скорости в одних точках поперечного сечения шины температура увеличивается, а в других – уменьшается. При высоких скоростях движения колеса шина имеет максимальную температуру в сечении 1-3, расположенном посередине беговой дорожки протектора. Поэтому температуру шины оценивают либо средней температурой воздуха в шине, либо действительной температурой в заданной точке профиля шины. Последнюю измеряют обычными игольчатыми термопарами, специальными термисторами и тепловизорами.

Температура шины зависит от ее размера, температуры внешней среды, нагрузки, приходящейся на колесо, давления воздуха и скорости качения колеса. Влияют также конструкция шины, рисунок протектора и степень его износа, гистерезисные и тепловые характеристики шинных материалов, шероховатость. Не обходится без влияния ровности опорной поверхности дороги и интенсивность отвода тепла (обдува воздухом, движения по мокрой дороге, по снегу и льду и т.д.). Неустановившееся тепловое состояние шины, кроме того, зависит от времени качения в данном режиме.

Эксперименты и исследования

Экспериментальные зависимости температуры в различных точках камерной шины 8-15, от времени качения колеса по барабану с постоянной скоростью приведены на рисунке 2. На этом рисунке видно, что при скорости 160 км/ч температура в плечевой зоне протектора увеличивается до 135°С, а температура воздуха в камере примерно на 20°С ниже. Рост температуры продолжается приблизительно 10 минут, после чего она становится постоянной. Такой рост температуры, обусловлен высокой скоростью качения и быстрым разгоном барабана до этой скорости.

Рис. 2. Экспериментальная зависимость температуры шины от времени качения колеса по барабану с постоянной скоростью 160 км/ч, нагрузке 600 кгс, давлении воздуха 1,7 кгс/м2 и температуре окружающего воздуха 38°С: 1 – температура протектора в плечевой зоне шины; 2 –температура воздуха в камере

В процессе эксплуатации шины редко достигают такой скорости и температуры. На рисунке 3а представлены эксплуатационные зависимости максимальной температуры воздуха внутри шины (для шин 11-12) от скорости при различной температуре окружающего воздуха, наличии или отсутствии ветра и различной нагрузке на шину.

Эксперименты проводились в лабораторных условиях при постоянном начальном давлении и двух значениях нормальной нагрузки (2 300 и 1 840 кгс). Испытания проводили при отсутствии обдува шины воздухом (кривые 1и 4),при обдуве шины, когда температура окружающей среды достигала 25°С (кривые 2и 6)и 5°С (кривые 3и 6).

Рис. 3. Зависимости максимальной температуры воздуха внутри шины (для шин 11-12) от скорости:

а) – при различной нагрузке на шину и различной температуре окружающего воздуха, наличии или отсутствии обдува ветром, где: 1 – качение без ветра, Gк = 2300 кгс, температура воздуха 25ºС; 2 – тоже самое, но при ветре; 3 – при ветре, температура 5ºС; 4 – без ветра, Gк = 1840 кгс, температура 25ºС; 5 – тоже самое при ветре; 6 – тоже самое при температуре 5ºС;

б) – при различной слойности шины, где: 1 – при 14 слоях корда, 2 – при 12 слоях, 3 – при 10 слоях. 

Выводы

Из рисунка 3а можно сделать следующие выводы:

– при одном и том же давлении воздуха уменьшение нагрузки на колесо на 20% значительно снижает температурный режим шины;

– снижение температуры окружающего воздуха даже на 20°С незначительно уменьшает температуру воздуха в шине;

– уменьшение нагрузки оказывает тем большее влияние на снижение рабочей температуры шины, чем выше скорость движения колеса;

– обдув шины ветром оказывает тем большее влияние на уменьшение ее температуры, чем больше она нагружена.

Из рисунка 3б видно, что чем больше слоев корда имеет покрышка, тем выше температура шины при той же скорости качения шины.

Таким образом, с повышением температуры шины все большее количество тепла рассеивается во внешней среде. После определенного времени движения колеса с постоянной скоростью шина приобретает такое распределение температуры, при котором устанавливается равновесие между притоком тепла и рассеиванием его во внешней среде. Наиболее высокая температура при этом наблюдается обычно в зоне брекера посередине беговой дорожки и в плечевых зонах шины.

Температура оказывает большое влияние на сопротивление качению и на срок службы шины. Повышение температуры шины приводит к существенному уменьшению гистерезисных потерь в ней. Это является положительным фактором с точки зрения уменьшения сопротивления движению. Зависимости коэффициента сопротивления качению и средней температуры шины от времени ее обкатки с постоянной скоростью показаны на рисунке 4.

Рис. 4. Зависимость коэффициента сопротивления качению и средней температуры шины от времени ее обкатки с постоянной скоростью, где: 1 – 10 км/ч; 2 – 30 км/ч; 3 – 60 км/ч.

Данные для рис. 4 получены на барабанном стенде для шины, имеющей нагрузку 1200 кгс и давление воздуха 5,75 кгс/см2. Испытания проводили при трех различных скоростях движения от 10 до 60 километров в час. На рисунке видно, что коэффициент сопротивления движению колеса уменьшается с увеличением температуры шины тем интенсивнее, чем больше скорость автомобиля.

Повышение температуры приводит к уменьшению прочности резины и корда. При повышении температуры от нуля до 100°С прочность капронового корда снижается примерно на 20%, а прочность резины и связь ее с кордом – примерно в 2 раза. Поэтому выбору оптимальной температуры, обеспечивающей малое сопротивление движению колеса и высокий срок службы шины, необходимо уделять серьезное внимание.

Температура считается опасной, когда при ней происходит процесс вулканизации и девулканизации резины, т. е. резкое изменение механических качеств резины и корда. В катящейся шине допускается температура 100оС.

Температура от 100 до 120оС называется критической, а выше 120оС – опасной, поскольку может привести к быстрому разрушению шины. Начиная от критической температуры, возможно повреждение шины, особенно если температура будет держаться продолжительное время.

При повышенных температурах появляются явления усталости, которые обусловлены появлением и развитием на поверхности нитей капронового корда микродефектов. Уменьшение прочности резины и корда при повышении температуры приводит к отслоению протектора, расслоению и разрыву каркаса в местах с наибольшей температурой. Поэтому нельзя допускать нагрева шины выше 100оС.

Гудков В.А., Рябов И.М., Гудков Д.В., Малинин Н.Н., Волгоградский государственный технический университет

Мамакурбанов М.М., Устаров Р.М., Махачкалинский филиал МАДИ

Журнал: Шина Плюс