Constructia Si Caracteristicile Rotilor cu Pneuri

Construcția și caracteristicile roților cu pneuri

O influență asupra capacității de frânare și de tracțiune asupra stabilității în mers, precum și a capacității acestora de trecere este reprezentată de proprietățile fizice și proprietățile mecanice ale anvelopelor și de particularitățile constructive ale roților cu pneu.

Întreaga greutate a vehiculului este preluată de roți, deasemenea acestea asigură și contactul cu calea rutieră și amortizează, în mare masură, oscilațiile autovehiculului.

Ca elemente componente, roțile cu pneu, sunt formate din pneu, jantă și discul roții care se montează pe butucul roții unde formeazaă un corp comun care se rotește în jurul axei roții. În construcția roților cu pneu se ține cont de anumite cerințe care fac referire la : o rezistență superioară la solicitări și o durabilitate în exploatare, o ușurință privind montarea și demontarea anvelopei pe jantă și a roții pe butuc și nu în ultimul rând o greutate redusă și un cost de achiziție, întreținere respectiv casare cât mai mic.

Construcția roților de autovehicul

Transmiterea forțelor de tracțiune tangențiale, de frânare și a forțelor laterale este permisă de aderența bună cu calea de rulare, pentru diferitele tipuri de exploatare , toate acestea contribuind la îmbunătățirea calităților de frânare, stabilității, maniabilității și nu în ultimul rând a dinamicității. Etanșeitatea bună și rezistența corespunzătoare a roților satisface acea siguranță în exploatare. Reducerea zgomotului produs la rulare și amortizarea oscilațiilor este dată de capacitatea părții elastice a roții cunoscută și sub numele de confortabilitate.

Economicitatea este condiționată în primul rând de prețul acestuia și de rezistențele intâlnite la rulare, dar și de durabilitate și capacitatea de încarcare.

Fig. 1- Schema roții de automobil cu jantă nedemontabilă(1- pneu, 2- janta, 3- disc, 4- butuc)

Pentru obținerea unei rigidități corespunzătoare la o greutate mică, discul se execută din tablă de oțel prin presare însă în multe cazuri se mai folosesc și butuci cu spițe trase sau turnate. Pentru a îmbina janta cu discul se folosesc diferite procedee, sudură pentru discul din tablă iar pentru spițele turnate se folosește îmbinarea mecanică și nu în ultimul rând atunci când roțile au jante turnate din aliaje ușoare cele două componente fac un corp comun.

Paricularitățile constructive ale autovehiculelor și solicitările la care sunt supuse roțile determină alegerea configurației și profilele jantelor. Și astfel întâlnim jante nedemontabile (Fig. 1) – întâlnite la roțile autoturismelor și la autoutilitare mici- și jante demontabile (Fig. 2)- care au un profil mai mult sau mai puțin conic și sunt utilizate la autocamioane, autobuze sau autoutilitare-.

Jantele nedemontabile cu profil adânc, au urechi înalte, profilate, din umărul jantei, care asigură anvelopei o stabilitate laterală mare. La aceste construcții marginile anvelopelor folosite sunt elastice și flexibile, fiind permisă montarea lor direct pe janta.

În cazul jantelor demontabile, figura 2, cu profil puțin conic, conicitatea de 5-15o oferă posibilitatea centrării mai bune a pneului. Montarea pneului se face prin simpla împingere pe bordura fixă a jantei (1) și prin fixarea bordurii demontabile (2) cu inelul flexibil de închidere (3), care se introduce în canalul (4). Această construcție permite montarea și demontarea ușoară a anvelopelor și asigură preluarea forțelor axiale. În cazul vehiculelor la care pentru puntea spate se folosesc roți jumelate (duble), profilul discului roții este conceput astfel încât să permită montarea ambelor roți pe butuc, simetric față de planul de strângere și sprijin.

În cazul jantelor care acceptă pneuri fără cameră de aer trebuie acordată o atenție deosebită suprafețelor de etanșare, fără neregularități sau bombări locale.

Fig. 2- Schema roții de automobil cu jantă demontabilă.

În construcția roții trebuie să ținem cont de locul și destinația de întrebuințare și astfel se ține cont de pneu pentru funcționarea normală a autovehiculului.

Pentru a se asigura această bună funționare a autovehiculului, o serie de cerințe sunt impuse pneurilor:

să preia din șocuri;

să confere o bună aderență la calea de rulare;

la viteze mari să prezinte rezistență și siguranță;

să preia din sarcini.

În construcția pneurilor s-au delimitat două tipuri și anume:

pneu cu cameră;

pneu fără cameră.

b)

Fig. 3- Construcția pneului: a) pneul fară cameră; b) pneul cu cameră.

O tendință la ora actuală în construcția roților de autoturisme este de a se folosi pneuri fără cameră de aer, însă nu se scapă din vedere utilitatea lor în cazul autovehiculelor grele.

Pentru funcționarea normală a unui autovehicul, pneurile trebuie să aibe anumite cerințe speciale:

să ajute la asigurarea confortului;

siguranță și rezistență la deplasarea cu viteze mari;

să prezinte o bună aderență la calea de rulare;

să amortizeze șocurile.

Pneul are în componența sa urmatoarele elemente:

carcasa;

cordon de protecție;

talon întărit cu sârme de oțel;

banda de rulare;

perete lateral.

Fig. 4- Scheme constructive de pneuri: a) în construcție diagonală; b) în construcție radială.

Carcasa-3- ( scheletul pneului ), în timpul exploatării, preia cele mai mari eforturi. Conține un număr de straturi de țesături special (pliuri) ce poartă denumirea de straturi de cord ce poate fi confecționat din bumbac, fibre de sticlă, fibre poliamide sau fire metalice și care sunt îmbracate la rândul lor într-un amestec de cauciuc. Diametrul firelor este cuprins între 0,6 și 0,8 mm iar grosimea unui strat are o grosime cuprinsă între 1 și 1, 5 mm. Aprecierea rezistenței diferitelor pneuri se face cu ajutorul pliurilor echivalente (Ply Rating-P.R.) care reprezintă numărul convențional de straturi de rețea de cord. Carcasa are un număr cu soț de straturi de cord cauciucat, fiecare strat de cord având firele orientate în sens opus stratului următor. Pentru a asigura elasticitatea pneului, proprietățile de rezistență și de amortizare, în condițiile unor deformații repetate, firele stratului de cord se așează sub un anumit unghi în raport cu planul median al pneului. În funcție de acest unghi există două tipuri constructive de pneuri, și anume:

pneuri cu carcasă în construcție diagonală (Fig. 4 –a) la care unghiul de dispunere al firelor de cord este =38o-45o. Aceste pneuri au avantajul unei stabilități axiale bună, al unui coeficient de rezistență la rulare acceptabil, dar au dezavantajul unei rigidități laterale mari;

pneuri cu carcasă în construcție radială (Fig. 4 -b) la care unghiul de dispunere al firelor de cord este =90o. Prin mărirea unghiului se obține o elasticitate radială mare și un coeficient de rezistență la rulare redus la viteze mici de deplasare.

Micșorând unghiul duce la scăderea coeficientului de rezistență la rulare la viteze mari , la o stabilitate laterală bună și o reducere a elasticității radiale. Astfel de anvelope sunt folosite la automobile sport (=30o-55o) și la automobile de curse (=26o).

Cordonul de protecție sau brekerul- 2- face legătura între banda de rulare și carcasă, preluând o parte din șocurile care se transmit în timpul rulării pneului. Materialul pentru breker trebuie să aibă proprietăți dinamice superioare în fază vulcanizată, să se încălzească cât mai puțin, să fie rezistent la temperaturi de 100oC-120oC și să aibă o bună conductivitate termică. El este alcătuit dintr-un strat de cauciuc sau pânză cauciucată și este prezent la toate pneurile radiale și la o parte din pneurile diagonale.

Taloanele-4- constituie partea rigidă a pneului și fac posibilă montarea rezistentă și etanșă a acestuia pe jantă. În interiorul talonului se găsește o inserție metalică, izolată cu amestec de cauciuc, care îi asigură rigiditatea necesară.

Pereții laterali sau flancurile protejează carcasa și, de obicei, formează un tot unitar cu banda de rulare.

Banda de rulare-1- constituie stratul gros de cauciuc care se așează la periferia pneului, protejând carcasa și camera împotriva deteriorărilor și uzurii, transmite efortul de tracțiune și frânare și mărește aderența cu drumul. Pentru a asigura o aderență corespunzătoare, și pentru a reduce uzura și zgomotul în timpul rulării, banda de rulare este prevăzută cu o serie de proeminențe, nervuri și canale de diferite forme care formează profilul sau desenul benzii. Grosimea benzii de rulare variază între 7-17 mm în cazul pneurilor pentru autoturisme și 14-32 mm pentru cele de autocamioane și autobuze.

Din punct de vedere al benzii de rulare, pneurile se clasifică în: pneuri cu profil de stradă(destinate rulării pe drumuri cu suprafață dură-asfalt, beton) și pneuri cu profil special M+S (zăpadă și noroi). Forma desenului benzii de rulare trebuie să fie concepută încât să asigure o aderență cât mai bună pe direcție longitudinală și laterală atât prin frecarea cu calea de rulare, cât și prin utilizarea maximă a rezistenței la forfecare a acesteia. Acesta trebuie deasemenea să asigure o cât mai rapidă eliminare a apei dintre anvelopă și calea de rulare la deplasarea pe drumuri acoperite cu strat de apă crescând astfel viteza la care apare fenomenul de acvaplanare.

Fig. 5- Profile de benzi de rulare ale anvelopelor

În Fig. 5 sunt reliefate câteva profile de stradă ale benzilor de rulare utilizate la pneurile pentru autoturisme: profil cu nervuri longitudinale drepte și proeminențe transversale mici (a); profil cu nervuri sub formă de zig-zag și canale inguste (b); profil cu formă combinată din canale zig-zag larg cu canale zig-zag îngust și nervuri distribuite (c); profil cu nervuri longitudinale din elemente mici divizate (d).

Pentru anvelopele cu profil M+S, Fig. 6 , desenul benzii de rulare este prevăzut cu un număr mare de elemente în formă de șah, cu muchii ascuțite formate din canale longitudinale și transversale.

Fig. 6- Anvelope cu profil special M+S

Pe drumuri acoperite cu gheață, pentru mărirea securității circulației se introduc în banda de rulare, ținte metalice dure. Eficacitate anvelopei depinde de înălțimea țintelor măsurată la exteriorul benzii de rulare (1,0-1,5 mm) și de densitatea lor în pata de contact.

Pneurile fără cameră diferă de cele cu cameră printr-un strat de etanșare cu grosimea de 1,5-3,0 mm vulcanizat la interiorul anvelopei. În timpul funcționării, stratul de etanșare este supus la compresiune, ceea ce permite ca un corp străin pătruns în acesta să fie înconjurat de materialul stratului de etanșare și să se producă autoetanșarea. La defecte mai mari, aerul iese treptat din pneu micșorându-se astfel posibilitatea apariției unor explozii, care să producă accidente.

Camera de aer-2, Fig. 3-b, are diametrul exterior mai mic decât diametrul interior al pneului, ceea ce face ca prin umflare să se întindă până se lipește de acesta. Grosimea pereților camerelor de aer este cuprinsă între 1,5 și 3 mm. Camera de aer se confecționează dintr-un cauciuc elastic, rezistent la căldură și etanș. Dezavantajul principal al utilizării pneurilor cu cameră îl constituie posibilitatea de apariție a exploziei, în cazul în care aceasta se deteriorează, defectul tinde să se mărească, iar pierderea de presiune se face foarte rapid. Pentru protejarea camerei de aer împotriva frecării de jantă se poate folosi o bandă de jantă, care este un manșon de cauciuc.

În cazul autovehiculelor cu destinație specială se utilizează și pneuri cu profil lat, care prezintă următoarele avantaje: reduce rezistența la rulare pe căi deformabile, au elasticitate mai mare, asigură o capacitate de trecere mai bună pe drumuri desfundate prin mărirea coeficientului de aderență.

Clasificarea și simbolizarea pneurilor

Fig.7 Dimensiunile caracteristice ale unui pneu.

Simbolul pneului reprezintă modul de exprimare a mărimii acestuia format din două numere. Atunci când cele două numere sunt separate printr-o liniuță orizontală sau prin litere, primul număr indică lățimea nominală a secțiunii B (balonajul în inci, sau mm), iar al doilea indică diametrul nominal al jenții (diametrul interior al talonului) d,exprimat în inci. Când cele două numere sunt separate prin semnul X, primul număr indică diametrul exterior D în inci, iar al doilea indică lățimea secțiunii B în inci.

Notarea pneurilor de autocamioane, autobuze și remorci auto se face prin indicarea simbolului, a numărului de pliuri echivalente PR, a simbolului HD pentru pneurile în construcție ranforsată și eventual numărul standardului sau normei interne de fabricație. De exemplu, cu 9,00-20 14 PR este simbolizată o anvelopă cu lățimea nominală a secțiunii balonajul B=9 inci și diametrul nominal al jenții d= 20 inci, care are o rezistență egală cu un pneu a cărui carcasă are 14 straturi de pânză de cord convenționale.

În cazul anvelopelor pentru autoturisme și autoutilitare ușoare literele care despart cele două cifre din simbolizarea pneului oferă diferite informații privind construcția și destinația acestuia. Simbolul SR se folosește pentru pneuri de viteză în construcție radială, HR pentru pneuri de viteză foarte mare în construcție radială, M+S pentru pneuri cu profil al benzii de rulare pentru zăpadă și noroi.

Dimensiunile principale ale pneurilor în construcție diagonală cu H/B=0.82, pentru autoturisme și autoutilitare, conform STAS 626/3, sunt centralizate în tabelul 1 pentru pneuri în construcție normală, respectiv în tabelul 2 pentru anvelopele în construcție S.

Tabelul 1.1
Dimensiunile pneurilor în construcție normală,
pentru autoturisme și autoutilitare.

*Jantă preferențială în exploatare.

**Valorile din această coloană se referă la profilele de stradă. În cazul pneurilor cu profile tip stradă. În cazul pneurilor cu profil special (noroi, zăpadă), valorile maxime ale diametrului exterior pot fi depășite cu 6%.

Tabelul 1.2
Dimensiunile pneurilor în construcție normală,
pentru autoturisme și autoutilitare.

Tabelul 1.3
Dimensiunile pneurilor în construcție radială cu simbolul lățimii nominale a secțiunii exprimate în mm, pentru autoturisme.

*Se admite creșterea lățimii secțiunii pneurilor noi cu maximum 3%, datorită evidenței inscripțiilor și a nervurilor.

**Valorile din această coloană se referă la pneurile cu profil tip stradă. Pentru pneuri cu profil special (M+S), diametrul exterior poate fi mai mare cu 2%.

*În cazul pneurilor cu profil de iarnă fără cuie, viteza maximă este de 160 Km/h, iar în cazul celor cu cuie pentru gheață 130 Km/h.

** Valorile sarcinilor subliniate sunt sarcini economice și se recomandă pentru alegerea pneurilor la proiectarea autoturismelor.

Tabelul 1.4
Dimensiunile pneurilor în construcție diagonală,
pentru autocamioane, autobuze și remorci auto.

*Se admite creșterea lățimii secțiunii pneului nou cu maximum 3%, datorită marcajelor, nervurilor și materialelor folosite.

**Valorile din această coloană se referă la pneurile cu profil tip stradă. La pneurile cu profil special (M+S), precum și la pneurile cu adâncimea profilului mai mare decât a profilului rutier normal, diametrul exterior poate fi mai mare cu maximum 3%.

***Pentru profilul notat cu U74 se admite lățimea secțiunii de maximum 238 mm și diametrul exterior de 98010 mm.

Tabelul 1.5
Dimensiunile pneurilor în construcție radială,
pentru autocamioane, autobuze și remorci auto.

*Valorile din această coloană se referă la lățimea secțiunii efective, fără inscripții. În exploatare se admite o creștere a secțiunii cu maximum 8%.

**Valorile din această coloană se referă la pneurile cu profil tip stradă. La pneurile cu profil special (M+S), diametrul exterior este cu 1% mai mare decât diametrul pneurilor cu profil rutier normal.

Exploatarea pneurilor de o anumită construcție cu sarcini mai mari decât cele prescrise pentru presiunea de regim în standarde și normele de fabricație, duce la uzuri accentuate și chiar la deteriorarea anvelopelor.

În România construcția de anvelope și camere de aer este reglementată prin STAS 6386-66 și 6387-66, anumite condiții generale și reguli pentru verificarea calității fiind menționate în tabelele 6 și 7.

Tabelul 1.6

Condiții tehnice pentru anvelope

Tabelul 1.7

Dimensiuni principale și sarcini de încărcare ale anvelopelor la construcția radială (seria milimetrică) pentru autoturisme, la o viteză de 180km/h

٭Valorile presiunii de regim sunt valabile pentru viteze până la 160 km/h. Pentru viteze peste 160 km/h până la 170 km/h, presiunea va fi mărită cu 0,1 daN/cm2, iar peste 170 km/h, până la 180 km/h, cu 0,2 daN/cm2

٭٭Viteza maximă se referă la anvelope cu profile tip stradă. În cazul anvelopelor cu profile de iarnă fără cuie (noroi, zăpadă) viteza maximă este 160 km/h, iar în cazul celor cu cuie pentru gheată de 130km/h.

Pneuri speciale

Este binecunoscut faptul că un autovehicul imobilizat este practic pierdut în câmpul de luptă modern, deoarece devenind o țintă fixă va fi cu siguranță distrus. Mai mult, un autovehicul imobilizat devine indisponibil în dinamica luptei, el devenind incapabil să-și desfășoare misiunea, fiind astfel scos din calcule chiar dacă nu este distrus de către inamic. Dacă pneurile sunt deteriorate, chiar și procedura de evacuare se îngreunează considerabil sau devine imposibilă.

Pentru rezolvarea acestor probleme, s-a optat în practică pentru mai multe soluții, din care cea mai folosită este adoptarea unui sistem de reglare din mers a presiunii din pneuri. Acest sistem răspunde la două cerințe: modificarea petei de contact cu solul în raport cu necesitățile de progresiune în funcție de portanța căii de rulare, conducând astfel la modificarea presiunii specifice pe cale și respectiv, compensarea pierderilor de presiune la pneurile perforate.

Acest sistem nu poate face față însă dacă debitul de scăpări din pneurile perforate depășește posibilitățile surselor de aer comprimat ale transportorului (compresoarele). Ca atare, într-o primă etapă, pe piața internațională a apărut o nouă categorie de pneuri, compartimentate, care în caz de perforare nu conduc la o dezumflare completă. Compartimentarea se face fie radial fie circular, menținând și posibilitatea reglării din mers a presiunii din pneuri. Nici această soluție nu a fost însă răspândită, atât din considerente economice, cât și de fiabilitate. Creșterea fiabilității fiind relativ redusă, nu conducea la un spor substanțial de mobilitate.

Soluțiile de actualitate mențin avantajele introduse de sistemul de umflare din mers a pneurilor, însă interiorul unui astfel de pneu este complet regândit. În prezent există trei concepții principale privin organizarea interioară a pneului.

O primă concepție prevede aplicarea unui inel de tip galet din cauciuc spongios pe butucul interior al jantei. A doua concepție nu diferă de prima decât prin faptul că inelul de cauciuc interior este înlocuit cu unul metalic, care poate fi prevăzut sau nu și cu bandaj de cauciuc. Cea de-a treia concepție presupune construirea unei structuri alveolare din cauciuc la interiorul pneului.

În cele ce urmează vor fi prezentate cele trei soluții constructive. Astfel, în fig. 1.3.1 este redată construcția unui pneu realizat după prima concepție. Se poate observa că butucul interior al jantei este prevăzut cu un bandaj de cauciuc spongios, cu sau fără inserție metalică (fig. 1.3.2).

Fig. 1.3.14 prezintă o secțiune la nivelul valvei, care relevă faptul că în interiorul inelului de cauciuc se află o inserție metalică cu rolul de a spori rezistența mecanică a acestuia, precum și de a micșora efectele induse de momentul de torsiune dezvoltat în masa de cauciuc la deplasarea cu pneul complet dezumflat și care ar conduce la forfecarea acestuia.

Inelul de cauciuc mai are încă un rol important, acela de a ține marginile talonului anvelopei apăsate constant pe umerii jantei, prevenind astfel dezumflarea pneului prin scăpări de aer atunci când în interiorul acestuia sunt instalate presiuni reduse solicitate de condițiile de deplasare. Astfel, sunt înlăturate soluțiile de etanșare aplicate în mod obișnuit pneurilor tubless la contactul dintre umerii jantei și marginile talonului.

În concluzie, un astfel de pneu asigură trei facilități:

previne "descălțarea" pneului de pe jantă la deplasarea cu presiuni interioare scăzute sau nule;

previne rotirea pneului pe jantă la deplasarea cu presiuni interioare scăzute sau nule pe căi de rulare nisipoase sau moi;

realizează etanșarea volumului interior în condițiile menționate, prevenind pătrunderea de corpuri străine în interior (nisip, apă etc.).

Presiunea de lucru a unui pneu 14.00 R 20 din această familie poate varia între 0,7 și 5,2 bar.

Pe baza experienței acumulate, precum și în urma numeroaselor teste efectuate și a observațiilor primite de la beneficiari, constructorii de pneuri au optat și pentru alte configurații ale inelelor de cauciuc de la interior. Astfel, în fig. 1.3.3 se pot observa vederile a două pneuri cu configurații speciale ale inelelor interioare, acestea fiind prezentate în vedere și respectiv în secțiune în fig. 1.3.4 și 1.3.5.

Pneurile prezentate în figurile menționate permit deplasări cu viteze ridicate la presiunea nominală, precum și posibilitatea deplasării în condiții grele, când în pneu se instalează presiuni scăzute. Mai mult, ele permit deplasarea și cu pneurile complet dezumflate, conform normelor europene FINABEL 20 A 5, astfel:

3 km parcurs la viteza maximă a automobilului;

10 km parcurs la viteza de 50 km/h;

37 km parcurs la viteza de 25 km/h;

două ore parcurs în teren la viteze sub 20 km/h.

Fabricantul arată că în urma testării unui transportor amfibiu blindat echipat cu astfel de pneuri s-au parcurs 150 km în teren cu pneurile total dezumflate.

În continuare sunt redate câteva imagini ce conțin soluții constructive de pneuri care fac parte din primele două concepții de realizare (fig. 1.3.7-1.3.12). Figurile conțin marcajul tipului conform firmei producătoare.

Caracteristic acestor tipuri de pneuri este faptul că beneficiază de elasticitatea unui pneu obișnuit atât timp cât nu sunt perforate. Ca atare, ele se folosesc preponderent în cazul automobilelor destinate unor scopuri speciale (transport de valori, de VIP, automobile de intervenție urbană, mașini ale pompierilor, pentru menținerea ordinii publice sau automobile civile de teren), dar care se folosesc în mod normal pe drumuri amenajate. La viteze ridicate, ele conlucrează favorabil cu suspensia automobilului furnizînd un confort ridicat, fapt caracteristic automobilelor de șosea. Acest lucru nu înseamnă că nu pot fi folosite și pe autovehiculele de luptă.

Pneurile de a treia concepție au însă o destinație deosebită fiind montate în principal pe roțile autovehiculelor de luptă. Structura lor se poate observa în fig. 1.3.6.

Inelul metalic sau de cauciuc masiv caracteristic pneurilor din primele două concepții de realizare a fost înlocuit cu un inel din cauciuc de mari dimensiuni a cărui structură interioară este alveolară. Alveolele interne nu au comunicație cu restul de volum cuprins între anvelopă și inelul de cauciuc. Dacă se înlătură anvelopa, roata este mai degrabă similară unui galet de autovehicul șenilat, cu deosebirea că "bandajul" roții din figură este confecționat din cauciuc cu alveole, pe când la galetul șenilatelor, bandajul este din cauciuc masiv.

Între inelul de cauciuc alveolar și anvelopă mai rămâne un volum, care este umplut cu aer la presiunea de regim a pneului. Spre deosebire de construcțiile anterioare însă, acest volum este considerabil mai redus.

Umflarea pneului, deci accesul aerului dinspre valvă spre volumul cuprins între anvelopă și inelul de cauciuc alveolar, se face printr-un canal practicat în inelul de cauciuc, care la rândul său nu este în comunicație cu alveolele.

Altfel spus, întregul inel de cauciuc arată în exterior exact ca o cameră normală, numai că la interior este "umplută" cu cauciuc prevăzut cu alveole. Pe roata automobilului se montează tot ca o cameră obișnuită.

Cea de-a doua soluție constructivă permite demontarea pneului pentru reparații sau înlocuiri fără demontarea roții de pe autovehicul. Toate construcțiile sunt din duraluminiu, pentru a reduce cât mai mult masele nesuspendate, oricum mărite prin introducerea noului tip de "cameră".

Datorită distanței radiale mici dintre inelul interior din cauciuc alveolar și anvelopă, în cazul în care aerul din interior este pierdut și roata se dezumflă, modificarea razei de rulare a roții are valori mici. Inelul interior ("camera"), fiind construită dintr-un material special, este capabilă de a prelua fără probleme greutatea ce revine pe respectiva roată, concomitent cu prevenirea "descălțării" sau rotirii anvelopei dezumflate pe jantă.

Acest tip de pneu nu este destinat funcționării în prezența unui sistem de reglare din mers a presiunii din pneuri, precum pneurile din primele două categorii. Lucrul este ușor de înțeles: distanța radială redusă dintre anvelopă și "cameră" nu permite modificarea în limite largi a razei pneului.

Există chiar și pneuri "pline", la care distanța radială dintre anvelopă și camera alveolară este nulă (fig. 1.3.13). Ele sunt destinate autovehiculelor care dezvoltă viteze reduse în teren (de exemplu mașini de geniu). Din figură se poate observa că dispunerea alveolelor este toroidală, spre deosebire de modelul anterior unde alveolele erau dispuse paralel cu axa roții.

Oricare ar fi concepția acestor noi tipuri de pneuri, proiectanții au urmărit creșterea fiabilității componentelor sistemului de rulare în general și a roților în special. S-a încercat evitarea imobilizării automobilelor, mai ales a celor cu destinație specială (automobile pentru VIP, pentru transporturi de valori sau cu destinație militară), ținându-se cont că ar deveni mult mai vulnerabile în cazul unor atacuri organizate.

Caracteristic tuturor acestor noi tipuri de roți este faptul că se încearcă reducerea volumului camerelor de aer la strictul necesar și completarea spațiului interior cu "camere" de aer în construcție specială (de obicei alveolară) sau cu bandaje, fie metalice fie din cauciuc masiv. Înainte de perforare, pneul se comportă ca unul obișnuit, însă prin pierderea presiunii, caracteristicile sale nu sunt la fel de sensibil modificate ca în cazul unui pneu normal, la care rulajul se produce direct pe jantă, de cele mai multe ori cu distrugerea pneului.

Elemente de dinamică privind roțile cu pneu

2.1 Razele roților cu pneu

Fig. 8 Razele roților de autovehicul

În timpul utilizării, dimensiunile roților cu pneu inregistrează unele modificări, care trebuiesc luate în vedere la analizarea procesului de rulare al acestora în multitudinea condițiilor care apar în exploatarea vehiculelor cu roți pneumatice.

Raza nominală (rn) a unei roți cu pneu se poate calcula, cu ajutorul simbolului anvelopei, folosind relația :

Prin umflarea pneului cu aer, se modifică atât forma pneului cât și dimensiunile nominale B și H. Factorii care determină modificarea acestor dimensiuni sunt :

elesticitatea pneului din diferitele zone ale secțiunii pneului;

presiunea pneului și raportul dintre balonaj și înălțimea secțiunii pneului (H/B).

Țimând seama de aceste modificări ale dimensiunilor, se definește raza liberă r0 a roții, ca fiind raza corespunzătoare cercului periferic maxim de pe creasta de rulare a anvelopei, montată pe janta prescrisă, considerând că presiunea interioară a pneului are valoarea de regim indicată și că asupra pneului nu se exercită sarcini exterioare. În standardele românești pentru avelope se indică diametrul exterior, Du al anvelopei, umflată la presiunea maximă de regim. Drept urmare, raza roții libere de determină cu relația :

În afara acestor două raze, care caracterizează pneul dimensional, în stare liberă, se mai desting următoarele raze :

– Rază statică rs – este distanța dintre centrul roții și suprafața de sprijin, atunci când roata se află în repaus și este încărcată cu sarcină normală. Raza statică depinde de rigiditatea pneului, de mărimea sarcinii normale Q și de presiunea interioară din pneu.

– Rază dinamică rd, – este distanța dintre centrul roții și suprafața de sprijin, atunci când asupra roții în mișcare acționează forțe și momente exterioare. Mărimea acestei raze este influențată de regimul de mișcare a autovehiculelor (de tracțiune în mișcare uniformă sau accelerată, de frânare, de viraj) de rigiditatea pneului și de starea drumului.

Rezultatele experimentale privind variația razei dinamice rd, a unei roți echilibrate cu pneu 7,00 – 16, în funcție de forța tangențială la roată Ft, pentru diverese presiuni interioare p , cu o încărcare radială și o viteză constantă.

Raza de rulare rr – este raza unei roți convenționale, care rulează, pe o cale nedeformabilă, fără alunecări sau patinări în zona de contact, cu aceeași viteză unghiulară ωr și liniară v cu cea a roții reale :

Introducerea noțiunii de rază de rulare a roții cu pneu este necesară la studiul mișcării a autovehiculelor, deoarece anvelopa este deformabilă atât în direcție radială cât și tangențială, ceea ce face ca viteza de translație a centrului roții să fie mai mică decât viteza ce corespunde razei libere r0 a roții, pentru aceeași turație.

Mărimea razei de rulare este puternic influențată de momentul motor aplicat roții, deformarea tangențială fiind cauza principală a micșorării distanței dintre centrul roții și cale.

Atât raza dinamică cât și raza de rulare depind de factorii care nu permit deteriorarea acestora pe cale analitică și care nu rămân constanți în timpul deplasării autovehiculului.

În calculele practice – pentru raza de rulare – se adoptă valori medii în funcție de raza liberă, astfel :

rr = k ∙ r0

în care k este coeficientul de deformare a pneului, ale cărui valori sunt :

– 0,930 … 0,935, pentru pneuri de joasă presiune;

– 0,945 … 0,950, pentru pneuri de înaltă presiune ;

– 0,960 … 0,980, pentru banaje semimasive.

Dacă rr, este raza de rulare și ωr este viteza unghiulară, respectiv viteza de deplasare a autovehiculului, se poate stabili relația :

V = 3,6 ∙ rr ∙ ωr [km/h]

2.2 Dinamica interacțiunii pneu și calea de rulare nedeformabilă

2.2.1 Deformările pneului

Sub acțiunea solicitărilor exterioare (sarcini radiale, longitudinale și transversale), pneul roților de la autovehicule se deformează, aceasta în funcție de construcția sa (numărul și dispunerea pânzelor, grosimea stratului protector din cauciuc, configurația coamei, etc.), de presiunea aerului din interiorul camerei și de caracteristicile căii de rulare (microdenivelări și rigiditatea căii).

Pentru studiul deformării pneului pe o cale nedeformabilă, aceasta se consideră plană.

2.2.2Deformarea radială a pneului

La un pneu la care presiunea din interiorul camerei este cea prescrisă, deformarea radială se datorează numai sarcinii normale pe roată, valoarea maximă pe roată producându-se în momentul trecerii elementului de pneu considerat (a,b) prin verticala centrului roții (a´ ,b´) ea fiind reprezentată prin relația (figura 1.6) :

Elementul (ab) începe să se deformeze în punctul B, când intră în zona de contact cu calea rigidă și atinge deformarea maximă în punctu A, după care urmează relaxarea pneului – cu oarecare întârziere – până în punctul C. pneul nefiind perfect elastic, prezintă această întârziere în relaxarea coamei sale, fiindu-I caracteristic fenomenul de histerezis.

Procesul se reprezintă (figura 1.7) prin curba de Fig. 9 variație a deformației radiale δz în funcție de sarcina statică G, care încarcă elementul considerat.

La deformare, curba de încărcare este OAB, puncul B fiind atins în momentul trecerii elementului prin dreptul verticalei OA. Faza de descărcare (relaxare) a elementului se reprezintă diagonala BCO´care nu se suprapune peste OAB, datorită fenomenului de histerezis.

Se constată că la încărcare se produce o deformație δz1 pentru sarcina G2 Fig. 10 în timp ce la relaxare, pentru aceeași sarcină G2 deformarea este mai mare, δz2 (o rămânere în urmă revenirii fibrelor la dimensiunea avută în aceleași condițiila încărcare) sau cu alte cuvinte se revine la aceeași deformație δz1, pentru o scădere accentuată a sarcinii : G1 < G2.

Diagrama arată că pentru orice element în curs de deformare, pentru aceeași deformație, efectul radial la încărcare G2 este superior efortului G1 la revenire (pentru o poziție simetrică de deformare față de verticala ce trece prin centul roții), ceea ce are ca efect deplasarea reacțiunii verticale a solului Z, înaintea punctului A, în sensul de rulare (figura 9) ; mărimea distanței de deplasare a1 depinde de rigiditatea pneului si de mărimea momentului motor.

Datorită acestei deplasări, ia naștere un moment de rezistență la rulare :

Mărimea acestui moment de rezistență la rulare, provocat de pierderile prin histerezis, este proporțională cu mărimea suprafeței buclei OABCDO´O din diagrama histerezis.

La lucrul mecanic Wd necesar deformării elementului de anvelopă ab, în faza de comprimare, este reprezentată în diagramă prin aria OABE:

Lucrul mecanic recuperat Wr la relaxarea aceluiași element din anvelopă va fi :

Pierderea de energie – prin histerezis – datorită frecărilor interne ale materialului va avea valoarea :

Pentru micșorarea acestor pierderi de energie constructorul de anvelope intervine în alegerea parametrilor constructivi și ai materialelor folosite, în vederea măririi rigidității pneului, în limitele admise de necesitatea amortizării relative a oscilațiilor roților cu pneu.

Rigiditatea medie qr – în direcție radială – a pneului este dată de raportul dinte sarcină și deformația radială maximă :

Între sarcina pe roată Gr și deformarea radială a pneului, δz nu există o relație de proporționalitate, dependența respectivă fiind exprimată analitic [48] de relația :

Ca atare, deformarea radială a pneului depinde și de presiunea interioară a aerului. Curbele parabolice de dependență dintre deformarea pneului și sarcina pe roată, pentru presiuni interioare diferite (pi1<pi2<pi3).

Se știe că aerul comprimat dintr-un pneu preia cea mai mare din sarcina normală pe roată (cca. 70 – 80 %), materialului pneului revenindu-i o mică parte din sarcină.

Micșorarea presiunii interioare a aerului va spori gradul de preluare a sarcinii de către anvelopă, mărindu-se astfel deformarea pneului și solicitările acestuia, ceea ce va conduce – pe de o parte – la majorarea pierderilor de energie, respectiv la creșterea rezistenței la rulare, și – pe de altă parte – la reducerea durabilității pneului.

Datorită deformării radiale, δz, pneul se va deforma longitudinal, δx precum ;I transversal, δy.

2.2.3 Deformarea tangențială (longitudinală) a pneului

Acestă deformare se datorează – în principal – momentului aplicat roții și constituie a doua cauză a apariției rezistenței la rulare.

Momentul motor Mr aplicat butucului roții (figura 1.8) se transmite pneului prin contactul rigid dintre jantă și pneu, care datorită elasticității se deformează tangențial.

În zona de contact a pneului cu calea apare reacțiunea tangențială Xr, care se opune alunecării pneului, rezultând o răsucire elastică a pneului în planul său median. Aceasta face ca în porțiunile anterioare ale zonei de sprijin – ab, bc, cd, de, ef, – (de intrare în contact) să se producă o comprimare tangențială iar în porțiunile posterioare – gh, hi, ij, jk, (din spatele zonei de sprijin) o alungire tangențială a pneului. Porțiunile a´b´, b´c´, … i´j´, j´k´ de pe circumferința interioară a anvelopei rămân fără nici o deformare tangențială din cauza contactului direct cu periferia nedeformabilă a jantei. Dacă momentul aplicat roții este un moment de frânare, porțiunile ab, … ef sunt întinse, iar porțiunile gh, … jk sunt comprimate.

Datorită comprimării tangențiale a materialului periferic al anvelopei crește apăsarea specifică pe suprafața de contact, în zona de contact, apăsarea specifică se micșorează.

Rezultatul acestui fenomen este o deplasare a reacțiunii verticale Zr, față de centrul suprafeței de contact – spre în față – cu mărimea a2 (figura 1.8), ceea ce va produce un moment de rezistență la rulare :

care se opune rotirii roții.

Deformația tangențială a pneului nu depinde numai de rigiditatea materialului anvelopei ci și de presiunea interioară a pneului.

Variația deformației tangențiale a unui pneu exprimată unghiular, δ0 – supus unei sarcini radiale constante, depinde de presiunile interioare din pneu (pi1<pi2<pi3) și de creșterea și descreșterea momentului aplicat roții, Mr.

Se remarcă efectul fenomenului de histerezis al materialului pneului, precum și influența presiunii interioare ; la scăderea acesteia deformațiile tangențiale cresc, cu consecințele inevitabile : creșterea rezistenței la rulare și diminuarea durabilității pneului.

Momentul total al rezistenței la rulare, datorită deformării pneului, este suma celor două momente :

Se poate conclude – deci – că fenomenul de histerezis constitue principala cauză a rezistenței la rulare a roților cu pneu, dar mărimea acesteia depinde – în mare măsură – și de presiunea interioară a aerului din pneuri.

Pentru menținerea mărimii rezistenței la rulare în limita valorilor normale, se recomandă ca – în exploatare – să se respecte indicațiile fabricii furnizoare de anvelope , privind sarcina maximă admisă pe roată precum și presiunea aerului din pneuri ; o micșorare a presiunii conduce la mărirea rezistenței la rulare și la reducerea durabilității pneului, iar o depășire a acesteia provoacă diminuarea elasticității pneului, necesară amortizării oscilațiilor roților cu pneu.

Totuși – în exploatare – sunt indicate unele variații ale valorilor presiunii aerului din pneuri în raport de rigiditatea suprafeței carosabile a drumului.

2.2.4 Deformarea laterală a pneului

Această deformare se produce datorită acțiunii forțelor transversale Fy, care se manifestă in zonele învecinate suprafeței de contact cu calea, și influențează capacitatea de ghidare a roții (maniabilitatea și stabilitatea), rezistența la rulare și intensitatea uzurii pneurilor.

Acțiunea forței laterale Fy (figura 1.9) modifică simetria conturului suprafeței de contact, produsă de sarcina normală Gr datorită curburii laterale a porțiunii de pneu din jantă și calea rutieră.

Centrul petei de contact, care solicită radial Gr, a pneului (aflat în

repaus) se afla în O, se va deplasa – sub acțiunea forței laterale Fy – în puncrul O1, iar protecția planului median longitudinal al pneului, ce trece prin O, va avea drept intersecție cu planul căii de rulare, dreapta ce trece prin O2, centrul osiei acuzând o deplasare laterală mai accentuată decât centrul petei de contact.

Se consideră drept deformare laterală a pneului distanța dintre planul median longitudinal al pneului și linia mediană a benzii de rulare, după deformarea pneului, valoarea maximă fiind situată în zona centrală (notată : ). Deformarea laterală provocată de forța Fy va influența și deformarea radială, accentuând-o.

Între pneu și calea rutieră va apare o reacțiune laterală Y, care va menține echilibrul static până la atingerea mărimii aderenței laterale a pneului.

La solicitările laterale mici, deformațiile au o dependență liniară față de Fy, pentru ca mărimea forței laterale – când deformarea este însoțită și de alunecări parțiale în pata de contact – creșterile deformațiile laterale să fie mai pronunțate.

Raportul dintre forță laterală Fy și deformația produsă δy, reprezintă rigiditatea liniară laterală a anvelopei, care depinde de

caracteristicile pneului (dimensiune, construcție, presiune interioară) și de sarcina radială pe roată, Gr.

Rigiditatea anvelopelor se caracterizează prin valorile medii a rigidităților liniare radiale, tangențiale și laterale, în tabelul 2.5 prezentându-se rezultatele unor determinări la încercări statice [19].

Tabelul 2.1

Valorile medii ale rigidității liniare a anvelopelor [19]

2.3 Aderența longitudinală a pneurilor. Coeficientul de aderență

La analiza dinamicii procesului de rulare s-a arătat că una din condițiile roților este existența unei reacțiuni tangențiale a căii față de pneu, Xr.

Valoarea maximă a acestei forțe Xmax, până la care nu se produce alunecarea roților se numește forța de aderență.

Raportul φ dintre valoarea forței de aderență și valoarea reacțiunii normale se numește coeficient de aderență.

Valoarea absolută a coeficienților de aderență depinde de foarte mulți factori, printe care remarcăm :

tipul anvelopelor și presiunea interioară ;

natura și starea căii de rulare ;

încărcarea roților și viteza de deplasare a automobilului.

Datorită complexității corelațiilor dintre acești factori și mărimea coeficienților de aderență, în tabele sunt reprezentate valorile medii ale acestor coeficienți, pentru diferite acoperiri ale călor de rulare și pentru stările uscată și umedă ale drumului, influența celorlalți factori fiind cuprinsă în limitele câmpului de variație al valorilor indicate.

Factorii principali care provoacă variația mărimii coeficientului de aderență pot fi grupați în :

caracteristicile suprafeței căilor rutiere ;

caracteristicile pneurilor autovehiculelor ;

viteza de circulație a autovehiculelor.

2.4 Influența caracteristicilor suprafeței căilor rutiere

Pentru un pneu cu anumite caracteristici mărimea coeficienților de aderență și variația acesteia cu viteza de circulație depind în mare măsură de caracteristicile suprafeței carosabile.

Natura și rugozitatea stratului superficial de acoperire al căii au o influență determinată asupra coeficientului de aderență. Excesul de ciment în liantul îmbrăcăminților de beton, conduce la derminarea porozității și ca atare coeficienții de aderență mici ; de asemenea suprafețe din beton asfalt au o mai mică aderență decât cele din beton vibrat.

Totodată, starea de umiditate și curățenie a suprafeței influențează puternic supra valorii coeficientului de aderență ; starea de umiditate, mai ales pe căile cu suprafețe netede, micșorează cu 30 … 50% coeficientul de aderență. Suprafețele rugoase, ale căror proeminențe produc zone de frecare uscată, sunt favorabile aderenței, în timp ce suprafețele netede și lustruite, care conțin o peliculă de apă între suprafețele de contact cu pneul, au o influență nefavorabilă.

Valoarea coeficientului de aderență se reduce considerabil în cazul prezenței pe suprafața drumului a prafului fin și mijlociu (1 … 5 μm) sau chiar a nisipului fin (0,01 … 0.25 μm) mai ales când este umed, mărind considerabil pericolul de accidente.

Gradul de umiditate al șoselei, care – eventual – se poate defini prin grosimea peliculei de apă, face ca valorile coeficientului de aderență să prezinte o variație mult mai mare pe o șosea uscată. Astfel în cazul unei șosele de beton cu o bună posibilitate de drenaj, coeficientul de aderență prezintă variații mari pe durata unei ploi moderate.

Pelicula de murdărie de pe șosea face ca la începutul umezirii coeficientul de aderență să scadă considerabil, pentru ca după stabilirea unei pelicule numai din apă, coeficientul să capete valoarea corespunzătoare unei șosele umede, iar după încetarea ploii și uscarea suprafeței căii să revină la valoarea inițială.

În cazul unei ploi abundente și a unui drenaj insuficient, când pot apărea pelicule de apă de 1 … 1.5 mm grosime, intervine puternic capacitatea pneului de a evacua pelicula de apă, astfel încât să se poată stabili contactul cu zone de șosea ca și uscate.

Dacă pelicula de apă depășește 1,5 mm, până la o anumită viteză pneul nu poate evecua cantitatea de apă necesară pentru realizarea aderenței (figura 2.0 a). În momentul când pneul nu mai poate evecua în totalitate apa se formează – din cauza presiunii hidrodinamicii – o pană de apă la partea anterioară a pneului, care micșorează aderența (figura 2.0 b) și care – o dată cu creșterea vitezei – pătrunde sub pneu, până ce trece în întregime în partea posterioară a pneului (figura 2.0 c). Această stare de plutire a pneului pe apă denumită hidroplanare sau aquaplanare, care conduce la pierderea totală a capacității de tracțiune, frânare și ghidare a pneului.

Vitezele critice ale efectului de „aquaplanare” sunt dependente de grosimea stratului de apă, de profilul pneului, de gradul de uzură al benzii de rulare, de sarcina pe roată, de presiunea interioară a pneului etc.

2.4.1 Influența caracteristicilor pneurilor

Mărimea absolută a coeficienților de aderență depinde – între altele – și de tipul anvelopei, de presiunea înterioară din pneu și de încărcarea verticală a roților active.

Folosirea anvelopelor cu coamă profilată conduce la un spor de până la 30% a coeficientului de aderență, față de cel obișnuit cu pneuri uzate. Mai ales pe drumuri umede lamelele pneurilor produc zone de frecare uscată, favorabile aderenței ; în același timp canalele dintre profile ajută la evacuarea stratului de apă.

Coeficientul de aderență este influențat de presiunea interioară a pneului ; micșorarea presiunii la un pneu care rulează pe o cale dură, conduce la mărirea suprafeței de contact și la o creștere – relativ redusă – a coeficientului de frecare.

La rularea roților pe căi deformabile se recomandă folosirea unei presiuni scăzute în interiorul pneului, pentru micșorarea presiunii pe cale și creșterea aderenței.

Pe șoselele cu suprafețe dure și umede, creșterea presiunii interioare conduce la mărirea aderenței datorită sporirii presiunii pe cale și – consecință – a evacuării peliculei de apă dintre banda de rulare și cale.

Coeficientul de aderență variază și datorită modificării încărcării verticale a roiților active, influența fiind însă destul de redusă.

2.4.2 Influența vitezei de circulație a autovehiculului

Mărimea coeficientului de aderență, influențată de factorii anteriori prezentați, descrește odată cu creșterea vitezei. Descreșterea este mai accentuată pe drumurile umede ; reducerea – în acest caz- poate atinge 40 – 50%, între 20 – 65 km/h, și este mai puțin accentuată la viteze mai mari.

De asemenea, se constată o variație diferită a coeficientului de aderență, față de cea a coeficientului de frecare la alunecare.

Aceste diferențieri sunt semnalate și în cazul căilor umede față de cele uscate.

Anexe