Что оказывает влияние на жесткость резины
Содержание
Механические и физические характеристики резины как конструкционного материала
Коэффициент Пуассона. Отношение относительной поперечной деформации к относительной продольной в сопротивлении материалов называется коэффициентом Пуассона, представляющим третью константу материала, взаимосвязанную с Е и G. Для резины, в широких пределах возможности ее деформации, коэффициент Пуассона и, вычисляемый по этому определению из уравнения
не будет константным. В зависимости от л в этом вычислении м изменялось бы, увеличиваясь при сжатии от 0,5 при л = 1 до 9, 10 при л = 0,01. Соответственно при растяжении м изменялось бы от 0,5, уменьшаясь с увеличением растяжения. Коэффициент Пуассона м’, определяемый в дифференциальной форме, с учетом изменения объема и в предположении, что в заданных граничных условиях или в пределах двух текущих их значений м’ является величиной постоянной, имеет реальное значение. Такое определение можно произвести по уравнениям
В том случае, когда dv/dh исчезающе мало, оба эти уравнения дают м’ = 0,5. Определения м’ в условиях сжатия при сухом трении, произведенные автором и Н. В. Лепетовой, дали для производственных резин следующие значения: резина № 1 м’ = = 0,483 / 0,485; резина № 2 м’ = 0,465 / 0,480.
Твердость резины, как и других материалов, определяется по сопротивлению вдавливанию более твердого тела. Твердость резины измеряется различными методами, оценивается различными величинами и сама по себе не является расчетно-конструкторским показателем. Однако между твердостью резин и напряжением есть некоторая, хотя и ограниченная, корреляция. Так, разброс f при сжатии до л = 0,80 (замер твердости по Шору) не превышает ±20%. Для резин из натурального каучука предложена зависимость по следующему уравнению
Е по твердости для резин на основе каучуков: СКС-30, СКН-26 и НК.
Зависимость динамического модуля при ударе от числа твердости по ТМ-2 на ряде резин и различных каучуков показана на рис. 163.
В соответствии с методом испытания твердости вулканизатов натурального и синтетического по международному стандарту, в практику отечественной резиновой промышленности входит применение твердомера ИСО с замерами глубины погружений в резину стального шарика диаметром 2,5 мм и с переводом этих показаний в шкалу градусов международной твердости от 1 до 100 (относительно близких к показаниям ТМ-2).
Наряду с этим находят применение микротвердомеры для контроля качества готовых малогабаритных резиновых и резинометаллических деталей. Индентором служит стальная игла с полусферическим наконечником. Возможность осуществления надежного и несложного контроля продукции микротвердомером может сделать необязательным практикуемую в настоящее время косвенную оценку качества изделий с ссылкой на сдаточные нормы технических условий или же сопровождение изделий образцами-спутниками для проверки по ним качества резины.
Жесткость резины. Жесткостью материала называют сопротивление образца деформации.
При растяжении и сжатии часто пользуются понятием относительной жесткости С (или так называемым коэффициентом жесткости), представляющей собой жесткость, отнесенную к начальной длине стержня
Уравнение (8.32) позволяет экспериментально найти как относительную жесткость С, так и жесткость образца EfS0, минуя определение модуля Ef. Для этого при заданном l0 достаточно определить Р и Аl. Как величина, прямо пропорциональная модулю, жесткость является материальной характеристикой образца, имеет расчетное значение. Величина, обратная жесткости, называется податливостью.
Относительная жесткость С, будучи, в свою очередь, отнесена к весу образца Q, дает его удельную жесткость.
При постоянстве s0 и l0 (или ho при сжатии), но переменном значении Ef относительная жесткость С образца резины является переменной величиной, зависящей, как и Ef, от формы и габаритов образца, от величины напряжения (или амплитуды в цикловой деформации), от скорости (или частоты) и температуры.
Относительная жесткость С, как и модуль Еj, а также и зависящие от модуля гистерезисные параметры ф, nK, vc изменяются (возрастают) с увеличением коэффициента формы Ф. Однако характер их изменения различный (как по видам этих параметров, так и по видам режимов) и не всегда монотонный. Увеличение коэффициента Ф характеризует возрастание жесткости образца в зависимости от его формы в любых условиях деформации, тогда как коэффициент М в уравнениях (8.14) и (8.15) отражает возрастание жесткости образца в сложном напряженном состоянии сжатия.
Коэффициент внешнего трения резины. Механизм трения резины по металлическим и другим подкладкам и величины расчетного коэффициента трения мT (как отношения силы трения к нагрузке Р), в зависимости от условий трения, был в последнее время предметом внимательного изучения.
По экспериментальным данным, приводим следующие формулы:
Определяемый по этим формулам; коэффициент трения мт стремится к постоянным значениям: или к 1/а при Р—>0, или к А при Р->оо. В теории, рассматривающей трение как молекулярно-кинетический процесс, предложенной Г. М. Бартеневым, учитывающей влияние скорости скольжения, температуры и величины, отражающей зависимость площади фактического контакта от нагрузки, дано новое полное уравнение
Экспериментальная проверка В. В. Лаврентьевым уравнения Г. М. Бартенева показывгет применимость его во всей области нагрузок р от 1 до 200-10 5 Па (рис. 164).
Наличие смазки значительна снижает коэффициент трения. При водяной смазке коэффициент трения в резиновых подшипниках составляет 0,058—0,012. Для сравнения уместно заметить, что коэффициент трения стали 1ри нагрузке 2,45-10 Н/см 2 равен 0,25. В условиях не загрязненноз абразивом смазки получены следующие данные при трении резины по стали со скоростью скольжения 0,4 м/с (табл. 8).
Физико-механические свойства резин
Важнейшей особенностью резин является то, что они находятся в высокоэластическом состоянии в широком диапазоне температур, что позволяет выбирать материал, который будет сохранять эластические свойства при заданных условиях эксплуатации. Механические свойства резин являются следствием их высокоэластического состояния. Как видно из табл. 10.1, резины обладают высокой прочностью и чрезвычайно высоким, достигающим нескольких сотен процентов, удлинением при разрыве. При этом деформация резин носит обратимый характер.
У резин низкий модуль упругости. Так, модуль упругости при 300%-ном растяжении резин на основе различных каучуков составляет 2—18 МПа, в то время как модуль упругости чугуна равен 9- 10 4 МПа (табл. 10.3).
Упругость резин принципиально отличается от упругости твердых низкомолекулярных тел, у которых она является следствием очень малых, обратимых межатомных смещений при воздействии нагрузки. Упругость же высокомолекулярных тел является следствием ограниченности возможных конформационных превращений макромолекул под действием нагрузки.
Таблица 10.3. Значение коэффициента Пуассона и модуля упругости различных материалов
Модуль упругости х 10 3 , МПа
При сжатии объем резины не изменяется: ее коэффициент Пуассона составляет 0,49, для сравнения: у чугуна — 0,27.
Большие деформации резин происходят только за счет изменения формы образца.
Резины обладают ярко выраженными релаксационными свойствами, т. е. реакция резины на механическое воздействие растянута во времени. При статической нагрузке переход из неравновесного состояния в равновесное может быть достаточно длительным и характеризуется временем релаксации, которое зависит от величины напряжения и температуры.
При механической нагрузке происходят не только обратимые перестройки структуры резины. Часть возникших изменений структуры носит необратимый характер, что приводит к размягчению резины и так называемым гистерезисным потерям. Именно благодаря гистерезисным потерям резины являются прекрасным вибропоглощающим материалом. Однако в массивных изделиях, таких, например, как автопокрышки, гистерезисные потери приводят к саморазогреву изделия за счет перехода механической энергии в теплоту, что отрицательно сказывается на его усталостной прочности. Это объясняется тем, что гистерезисные явления связаны с рассеянием энергии внешнего воздействия и являются мерой термодинамической необратимости релаксационных процессов.
Прочность резин зависит от скорости приложения нагрузки и от температуры испытания. В зависимости от температуры резина может находиться в высокоэластическом или в стеклообразном состоянии. Резины в стеклообразном состоянии обладают хрупкостью, чем пользуются при утилизации изношенных автопокрышек, переводя их перед дроблением в хрупкое состояние путем охлаждения жидким азотом (криогенное измельчение). У различных резин температура стеклования находится в интервале от -30 до -110 °С.
Еще одним очень важным свойством резин является их высокая устойчивость к истиранию, определяемому усталостным разрушением поверхностного слоя материала при трении. Истирание — широко распространенный вид нагрузок изделий из резины. Такой нагрузке подвергаются автопокрышки, подошвы обуви, тормозные колодки, различные уплотнения, транспортерные ленты, покрытия полов, рассеивающие поверхности грохотов и др.
Резины обладают высоким сопротивлением истиранию. Так, интенсивность износа (мм 3 /с) мягких резин с низким модулем упругости намного ниже, чем пластмасс и металлов:
Резины благодаря высокой износостойкости широко используются для изготовления изделий, работающих в условиях абразивного износа, — автопокрышек, подошв обуви и др.
Поговорим о шинах. Часть 1. Геометрия.
Сегодня я хотел бы поговорить о шинах. Да именно так «о шинах» в очень общем смысле.
Причиной написания этой статьи стал тот факт, что очень часто в последнее время я сталкиваюсь с непониманием автолюбителями того как работает шина и какие параметры на что влияют. Я не претендую на звание очень большого эксперта в шинных вопросах (да я не работаю в шинном НИИ), но все свои выводы в данной статье я постараюсь основывать на каких-то серьезных исследования, школьной физике, информации предоставляемой производителями шин и других источниках и методах анализа, которые не требуют обширного опыта в исследованиях шин или каких-нибудь сложных и специфичных методов анализа. Некоторые примеры, используемые в данной статье, покажутся читателю слишком утрированными и гипертрофированными, но выбраны они не случайно, а для того, чтобы обращаться к ярким воспоминаниям и ощущениям, встречающимся в повседневном опыте большинства читателей.
Данная статья постарается охватить большинство параметров современных шин: от геометрии до свойств материала. Будут показаны некоторые принципы работы тех или иных частей шины. На основе этих принципов будут приведены качественные зависимости параметров поведения автомобиля (разгон, торможение, критическая скорость аквапланирования). Количественные же зависимости зависят от многих параметров и их взаимного влияния, а также от конкретной модели шины, модели авто и его настроек, поэтому выявление конкретного численного эффекта от изменения того или иного параметра возлагается уже на читателя.
Давайте же начнем. И начнем с самого верхнего уровня детализации шины – с ее геометрических параметров.
1. Влияние геометрических параметров на характеристики движения.
1.1 Внешний радиус шины.
Внешний радиус шины, а точнее я бы сказал колеса имеет сильное влияние на разгон, максимальную скорость и комфорт движения. Каким же образом.
Чем меньше диаметр колеса, тем меньше рычаг у силы трения колеса о дорогу, а, следовательно, момент этой силы, противодействующий крутящему моменту, приходящему от двигателя, будет меньше, и значит автомобиль будет разгоняться быстрее. Также на разгон положительно влияет и уменьшающийся с радиусом угловой момент инерции колеса, т.е. колесо меньшего радиуса меньше сопротивляется разгону само по себе, так как его масса сосредоточена ближе к оси вращения. Но за разгон надо платить, и платить приходится максимальной скоростью – при том же количестве оборотов колеса, автомобиль с колесами меньшего диаметра пройдет меньшее расстояние из-за меньшей длины окружности такого колеса, а, значит, и скорость его на тех же оборотах будет ниже. Две эти зависимости довольно очевидны и очень ощутимы.
А вот для разговора о комфорте потребуется картинка. На рисунке 1 показаны две шины разного внешнего диаметра. На верхнем рисунке показано поведение шин во время проезда углубления. Видно, что шина большего диаметра провалится меньше в углубление за счет своей меньшей кривизны, а значит ход подвески при отработке этой неровности колесом большего диаметра будет меньше.
На нижнем рисунке показан момент наезда на выступающее препятствие. Поверхность шины большего диаметра будет соприкасаться с неровностью под меньшим углом, в силу того, что точка соприкосновения с препятствием в большом колесе расположена значительно ниже центра колеса чем в маленьком. Это приводит к тому, что горизонтальная составляющая силы взаимодействия колеса и препятствия будет меньше, а, следовательно, и толчок при наезде будет меньше. Вертикальное перемещение в обоих случаях будет одинаковым, так как определяется высотой неровности. Схожий с описанным эффект возникает при сравнении наезда на неровность с крутым краем и с пологим – толчок (точнее клевок) при наезде на неровность с угловатым краем значительно сильнее, правда, в этом примере разность углов соприкосновения поверхностей неровности и колеса достигается не за счет радиуса, а за счет геометрии неровности.
Из фактов, приведенных выше, получаем, что шина большего внешнего радиуса имеет тенденцию быть более комфортной.
1.2 Высота профиля резины. (В этом пункте я буду использовать АБСОЛЮТНУЮ высоту профиля резины, а не относительную, так как так удобнее сравнивать ее с какими-то характерными высотами)
На комфорт сильное влияние оказывает также и высота профиля шины. Рассмотрим рисунок, на котором показан наезд на одно и тоже препятствие двух шин одинакового ВНЕШНЕГО радиуса, но разной высоты профиля (Рисунок 2). Суть в том, что упругие свойства шины обеспечиваются давлением воздуха внутри шины. При одинаковой деформации, давление в шине с меньшей высотой профиля увеличится больше, так как относительное изменение объема воздуха внутри у нее, из-за меньшего начального внутреннего объема шины, больше. Увеличение давления приводит к большей силе противодействия силам деформации, а значит шина с меньшим профилем лучше противодействует деформациям, т.е. является более жесткой. Жесткость шины имеет как плюсы, так и минусы. Основным минусом является, конечно же, снижение комфортности – машина начинает жестче реагировать на кочки. Именно из-за меньшее жесткой реакции на неровности на внедорожной технике стараются применять шины с максимально высоким профилем. Также, высокий профиль иногда способен проглотить неровность, которая на низкопрофильной резине приводит к повреждению диска, так как резина не в состоянии демпфировать удар даже геометрически (высота препятствия выше профиля). Однако, мягкость «высокопрофильной» приводит к тому, что при движении она сильнее деформируется, что приводит к большему сопротивлению качению и большему расходу энергии. Думаю, велосипедисты знакомы с разностью накатов велосипедов с одинаковым радиусом колеса, но с разными покрышками – пузатыми горными и невысокими шоссейными. На вторых по хорошей дороге ехать значительно легче.
Большой плюс более жестких низкопрофильных шин заключается в лучшем сопротивлении боковым деформациям при прохождении поворотов, что приводит к более стабильному поведению автомобиля в повороте. Однако, в предельных режимах низкопрофильная резина бывает более «нервной» чем шина с нормальным профилем.
Итого по этому пункту: чем больше профиль резины, тем она комфортнее, но при этом менее спортивная и более энергозатратная.
Многие скажут «А вот в случае с велосипедом, горная покрышка имеет большее сопротивление также из-за большей ширины», и окажутся правы! Но отчасти. Давайте же поговорим теперь и о ширине резины.
1.3 Ширины шины.
Да, действительно, более широкая шина имеет большее сопротивление качению, как раз таки из-за того, что она имеет изначально внутри больший объем воздуха, чем узкая и, из-за эффекта меньшей относительной деформации при одинаковой неровности, будет мягче более узкой резины. Что, казалось бы, должно положительно сказаться на комфорте, но вот в чем проблема – широкая шина может собрать больше неровностей, чем узкая, просто потому что она захватывает больше дорожного полотна, но это уже очень скользкая зависимость, и определяется она скорее состоянием дороги, а не параметрами шины.
Вот на что ширина сильно влияет, так это на «зацеп» большинству очевидно, что чем шире шина, тем лучше она держится за дорогу, как при разгоне/торможении, так и в поворотах, поэтому шины спортивных автомобилей значительно шире шин гражданских авто. (О природе этого необычного, с точки зрения школьной физики явления, я буду говорить значительно позже – когда буду рассматривать свойства самого материала шины).