Основы шин для мотоциклов — Строительство

 Основы шин для мотоциклов

Это первое из серии статей, в которых рассматриваются основы шин для мотоциклов и различные базовые динамические характеристики поведения мотоциклов. В целом это очень сложный предмет
и нуждается в хорошем уровне математики и физики, чтобы правильно понимать, что происходит.
Однако в этих статьях я попытаюсь объяснить основы с абсолютным минимумом математики,
но там, где это неизбежно, я не буду выходить за рамки простой тригонометрии. Для тех, кто несчастлив
с любой математикой вообще не беспокойтесь, просто пропустите эти части, а остальное все равно окажется полезным.
Я попытаюсь проиллюстрировать механизмы множеством набросков и графиков.

Выглядит невероятно, что только два небольших контакта резины могут поддерживать наши машины и
удается доставлять большое количество энергии на дорогу, одновременно поддерживая повороты
силы как минимум столько же, сколько вес мотоцикла и гонщика. Как таковые шины проявляют вероятность единственного
самое важное влияние на общие характеристики управляемости, поэтому представляется целесообразным изучить их
характеристики перед другими различными аспектами конструкции шасси.
Когда Ньютон впервые представил миру свои теории механики, он, несомненно, думал о нем
вещи, кроме взаимодействия мотоциклетных шин с дорожным покрытием. Тем не менее его
предположения одинаково верны для этой ситуации. В частности, его третий закон гласит: «Для каждой силы есть
равная и противоположная сила, чтобы противостоять ему. "" или, иначе говоря, "Действие и реакция равны и
напротив. "

Относительно этого к действию шины означает, что когда шина толкает дорогу, то дорога толкает
обратно одинаково сильно на шине. Это относится одинаково хорошо независимо от того, смотрим ли мы на
поддерживая вес велосипеда или сопротивляясь поворотам, торможению или вождению.
То, к чему этот конкретный закон Ньютона не имеет отношения, это то, какая сила является источником или
действительно имеет значение для многих целей анализа. Тем не менее, как руководство к пониманию
В некоторых физических системах часто полезно мысленно отделить действие от реакции.
Силы, возникающие между землей и шинами, во многом определяют поведение нашего
машины, но они так часто воспринимаются как должное. шины действительно выполняют такое множество различных
Задачи и их кажущаяся простота скрывают степень технической сложности, которая входит в них
проектирование и изготовление. Первоначально пневматические шины были установлены для улучшения комфорта и снижения нагрузки на
колеса. Даже с современными системами подвески именно шины обеспечивают первую линию
защита для поглощения дорожных ударов.
Чтобы исследовать конструкцию каркаса, состав протектора и рисунок протектора в мельчайших деталях выходит за рамки
этой книги. Скорее нас интересуют некоторые основные принципы и их влияние на
характеристики.

Поддержка веса

Наиболее очевидная функция шины — выдерживать вес машины, в вертикальном или вертикальном положении.
оставляя в углу. Тем не менее, фактический механизм, с помощью которого проходит давление воздуха и шины
нагрузка на колесо на дороге часто неправильно понимается. Рассмотрим рис. 1 этот эскиз представляет собой срез
через дно обода и шины единичной толщины с давлением накачки P. Левая рука
сторона показывает колесо без нагрузки, а правая сторона показывает, что оно поддерживает вес F. Когда
загруженная шина сжимается вертикально, и ширина увеличивается, как показано,
внутреннее давление воздуха существенно не изменяется с нагрузкой, внутренний объем мало изменяется.
На самом широком участке (X1) ненагруженной шины внутренняя полуширина равна W1, и поэтому сила, нормальная к
Этот участок из-за внутреннего давления просто 2.P.W1. Эта сила действует вверх к колесу
обод, но так как давление и ширина шины равномерно распределены по окружности, общий
эффект полностью сбалансирован. Этой силе также нужно противостоять равное натяжение (T) в шине
тушки.

Нагруженная шина имеет половинную ширину W2 на самом широком участке (X2), и поэтому нормальная сила равна 2.P.W2.
Следовательно, дополнительная нагрузка на этот участок при нагрузке составляет 2.P. (W2 — W1) но так как шина только
Эта сила, расширяемая на небольшую часть нижней части окружности, поддерживает нагрузку F.
Выше описано, как увеличение давления в шинах и увеличение ширины шины создают силы, противодействующие
вертикальная нагрузка на колесо, но не полностью объясняет детали механизма, с помощью которого эти
силы передаются на обод. Шарик намотанной шины является посадкой с натягом на седло
обод колеса, который помещает эту область в сжатие, линейный компонент натяжения боковой стенки
из-за давления накачки это сжатие несколько уменьшается. Этот компонент отображается как F1 на
ненагруженная половина F1 = T.cos (U1). Больший угол U2 боковой стенки при нагрузке означает
что линейная составляющая натяжения снижается, тем самым также восстанавливая часть обода для утомления
сжатие бус. Это происходит только в нижней части окружности шины, где расширение
происходит. Таким образом, усилие сжатия на нижнем ободе, действующем вверх, увеличивается.
поддерживает вес велосипеда. Сила нетто — это разница между ненагруженным и загруженным в линию
силы,

F = T. (cos (U1) -cos (U2))

Левая сторона показывает половину раздутого, но
ненагруженная шина, натяжение (Т) создается в каркасе
внутреннее давление. Справа сжатый и
показана расширенная форма загруженной шины.

Действие подвески

При выполнении этой функции пневматическая шина является первым объектом, который испытывает любые дорожные удары и таким образом действует
как самый важный элемент в системе подвески машины. В той степени, в то время как
неудобно, было бы вполне возможно, ездить на велосипеде по дорогам, в разумные сроки без
другая форма поглощения удара. На самом деле задняя подвеска не была распространена до 1940-х или 50-х годов.
Принимая во внимание, что, независимо от сложности обычной системы подвески, было бы довольно
нецелесообразно использовать колеса без пневматических шин или какую-либо другую форму шин, которая позволяла
рассмотрите ударное отклонение. Нагрузки на колеса без таких шин будут интенсивными при
все, кроме низких скоростей, и постоянный отказ колеса будет нормой.
Несколько цифр проиллюстрируют то, что я имею в виду: — Предположим, что мотоцикл с передним колесом нормального размера врезается в 25
мм, с острыми краями удар на 190 км / ч. Это не большой удар.
При отсутствии шины колесо будет подвергаться среднему вертикальному ускорению приблизительно
1000 г. (пиковое значение будет выше, чем это). Это значит, что если бы колесо и тормоз
сборка имела массу 25 кг. тогда средняя точечная нагрузка на обод будет 245 кН. Египет около 25
тонн. Какое колесо может это выдержать? Если бы колесо было обутым с нормальной шиной, то это было бы в
уровень земли, скорость пружины, до острого края, ок. 17-35 Н / мм. Максимальная сила тогда
передается на руль за 25 мм. шаг будет около 425-875 н. т. е. менее четырех тысячных
предыдущего рисунка, и эта нагрузка будет более равномерно распределена по ободу. Без шины
ударные нагрузки, передаваемые обратно на подрессоренную часть мотоцикла, также будут намного выше. Вертикальное колесо
Скорость будет намного больше, и поэтому силы амортизации удара, которые зависят от колеса
Скорость была бы огромной. Эти высокие силы будут передаваться непосредственно обратно на велосипед и наездника.
Следующие пять диаграмм показывают некоторые результаты компьютерного моделирования ускорений и
смещения на типичном дорожном мотоцикле и иллюстрируют значение шины для комфорта и дороги
держа. Велосипед движется со скоростью 100 км / ч. и переднее колесо достигает 0,025 метра с шагом 0,1
секунд. Обратите внимание, что шкалы времени варьируются от графика к графику.
Три случая рассматриваются:

· С типичной вертикальной жесткостью шины и пружинами и амортизацией подвески.

· С идентичными свойствами шин, но с нормой пружины подвески в 100 раз выше, чем у предыдущей.

· С жесткостью шины 100 X выше и с нормальной пружиной подвески.

Таким образом, в основном мы рассматриваем типичный случай, другой случай, когда пружина практически не возникает, и
последний случай с правильно жесткой шиной. Структурная нагрузка, комфорт и устойчивость на дороге были бы неблагоприятными
затрагивается без первоначальной амортизации шины. Обратите внимание, что приведенные выше графики не все в одном масштабе времени,
Это просто, чтобы лучше проиллюстрировать соответствующие моменты.

Это показывает вертикальное смещение переднего колеса. Существует небольшая разница между максимальной
смещения для двух случаев с нормальной шиной, для небольшого шага передняя шина поглощает большую часть удара. Тем не мение,
в случае очень жесткой шины движение колеса увеличивается примерно в 10 раз. Очевидно, что шина
в этом случае отрывается от земли, и через 0,5 секунды можно увидеть скачки приземления.

Эти кривые показывают вертикальное движение C of G велосипеда и наездника. Как и на фиг.1, ясно, что жесткая шина
вызывает гораздо более высокие движения велосипеда, к явному ухудшению комфорта.

Демонстрируя различные ускорения, передаваемые велосипеду и водителю, эти кривые показывают вертикальную
ускорения на C G. Оба случая жесткой шины или жесткой подвески показывают аналогичные значения примерно в 5 или 6 раз
это нормальный случай, но форма двух кривых совершенно различна. С жесткой подвеской мало что
демпфирование и мы видим, что требуется несколько циклов, чтобы успокоиться. Второй удар около 0,155 секунд, когда
заднее колесо ударяется о ступеньку, эта реакция заднего колеса не показана на других графиках для ясности.

Вертикальное ускорение переднего колеса для двух случаев с нормальной шиной. Первая часть похожа для двух случаев,
подвеска здесь мало влияет, именно прогиб шины является наиболее важным для этой высоты шага. Как на рисунке 5
отсутствие демпфирования подвески позволяет шине подпрыгивать в течение нескольких циклов, прежде чем успокоиться.

Поскольку на этих кривых приведено ускорение колеса, значения нормального случая перегружены жестким
корпус шины с пиковым значением, близким к 600 Гс, по сравнению с приблизительно 80 Гс в обычном режиме. Снова обратите внимание на эффекты посадки
отскакивает через 0,5 секунды. Это высокое ускорение приведет к очень высокой структурной нагрузке.

Так как шина настолько хороша в устранении большинства дорожных ударов, прямо в точке применения, возможно, она
стоило бы подумать о том, чтобы спроектировать его так, чтобы он впитывал еще больше и не требовал других
подвеска. К сожалению, мы столкнемся с другими проблемами. Мы все видели крупную конструкцию
машины отскакивают от дороги на своих воздушных шарах, иногда это становится настолько сильным, что
колеса фактически отрываются от земли. Пневматическая шина действует как пневматическая пружина, а резина действует как
амортизатор, когда он изгибается, но когда шина становится больше, эффект пружины подавляет
демпфирование, и мы получаем неконтролируемое подпрыгивание. Таким образом, существуют практические ограничения на количество
амортизация, которая может быть встроена в шину для любого конкретного применения.

Влияние давления в шинах

Очевидно, что на характеристики упругости, упомянутые выше, сильно влияет накачка шин.
давление, но есть и другие эффекты. Материал и конструкция каркаса и свойства
рисунок протектора внешнего слоя резины влияет как на свойства пружины, так и на
площадь соприкосновения с землей (пятно контакта). Под и над инфляцией оба позволяют шине
принять неоптимальные формы поперечного сечения, кроме того, инфляционное давление оказывает влияние
из-за боковой гибкости шины, и это свойство первостепенной важности для мотоцикла
стабильность. Производители и # 39; рекомендации всегда должны соблюдаться.

Влияние давления в шинах на вертикальную жесткость накачанной шины при нагрузке на
плоская поверхность. Эти кривые взяты из фактических данных измерений. Обратите внимание, что весенний показатель близок к
линейный по всему диапазону нагрузки и колеблется от 14 кгс / мм. при давлении 1,9 бар до 19 кгс / мм. в
2,9 бар. Эффективная скорость пружины, когда шина нагружена против острого края, такого как кирпич, составляет
считая ниже, чем это, и является более нелинейным из-за изменения формы области контакта, как
шина «оборачивается» вокруг объекта.

Эта пружина действует последовательно с пружинами подвески и является важной частью общего
система подвески. Интересным свойством резины является то, что при сжатии и отпускании его
Обычно он не возвращается точно в исходное положение, это называется гистерезисом. Этот эффект показан
только для 1,9 бара. В этом случае кривая, нарисованная на этапе загрузки, не прослеживается во время
фаза разгрузки. Площадь между этими двумя кривыми представляет собой потерю энергии, которая приводит к
подогрев шин, а также выступает в качестве амортизации подвески. В этом конкретном случае потеря энергии
за один цикл погрузки и разгрузки составляет примерно 10% от общего запаса энергии в
сжатая шина, и является важным параметром, контролирующим отскок шины.

Вертикальная жесткость стандартной дорожной шины к плоской поверхности при различных давлениях накачки. Эти данные из
Avon Azaro Sport II 170/60 ZR17. Стрелки вверх оценивают сжатие шины, а вторая строка с
Стрелка вниз (для ясности показана только на 1,9 бар) показывает поведение шины при снятии нагрузки.
заштрихованная область между двумя линиями представляет собой потерю энергии, называемую гистерезисом. Это действует как источник приостановки
демпфирование, а также нагревает шину. (Из данных, предоставленных шинами Avon.)

Боковая жесткость той же шины, показанная на рис. 9. Вертикальная нагрузка была постоянной и составляла 355 кгс. и колесо было
держится вертикально Как и ожидалось, шина несколько жестче при более высоком давлении, но теряет сцепление или насыщается на
нижняя боковая нагрузка 460 кгс. по сравнению с 490 кгс. при более низком давлении. (Из данных, предоставленных шинами Avon.)

Контактная зона

Шина должна полностью поддерживать велосипед через небольшой участок резины, соприкасающийся с
заземление и т. д. «площадь пятна контакта = вертикальная сила — среднее давление на поверхность пятна контакта». это
применяется на ВСЕХ условиях.

Однако поверхностное давление пятна контакта НЕ такое же, как давление накачки, как
иногда утверждается. Они связаны, но есть как минимум четыре фактора, которые изменяют отношения.
Жесткость каркаса, форма каркаса, глубина и мягкость резиновой поверхности, а также соответствие дорожного покрытия. Если
у нас очень высокая жесткость каркаса, тогда инфляционное давление окажет пониженное влияние.
Давайте рассмотрим это немного подробнее и выясним, почему:

Если шина была сделана как внутренняя камера, то есть из довольно тонкой резины и с небольшой жесткостью без
Надутый, то внутреннее давление воздуха будет единственным средством для поддержания веса велосипеда. В этом
В случае, если давление пятна контакта будет равно внутреннему давлению воздуха. Для воздуха
давление 2 бар и вертикальная нагрузка 1,0 кН. Тогда площадь контакта составит 5003 кв. Если мы
Теперь увеличено давление воздуха, скажем, до 3 бар, площадь упадет до 3335 кв.

Теперь давайте представим, что мы заменим жесткий стальной трубчатый обруч для нашего обода и шины, зоны контакта
с земли будет совсем мало. Если мы теперь надуем обруч с некоторым давлением воздуха, это не займет
много воображения, чтобы увидеть, что, в отличие от внутренней трубки, это внутреннее давление будет иметь незначительный эффект
на внешней области контакта. Очевидно, что шина не похожа ни на стальной обруч, ни на внутреннюю камеру,
но это показывает, что жесткость каркаса может уменьшить площадь поверхности контакта, рассчитанную исключительно
только от инфляционного давления.

Я сделал 2 набора тестов. Сначала я поддерживал постоянное давление в шинах на уровне 2,4 бар и менял шину.
нагрузка между 178 и 1210 Н. (с учетом веса стеклянных и деревянных балок). Во-вторых, я
поддерживали постоянную нагрузку 1210 Н. и пытались варьировать давление накачки от 2,4 до 1 бар.
Даже при значительном учете экспериментальной ошибки эффекты очевидны. Графики показывают, что
результаты оказались достаточно хорошо вписаны в плавную линию, разброс был незначительным.

Точка (1) на кривой с постоянным давлением накачки показывает, как фактическое давление пятна контакта
ниже (чуть более половины), чем давление инфляции, или, другими словами, площадь контакта больше. Это
из-за соответствия резиновой поверхности, так что это более важно при низких вертикальных нагрузках, тогда как
жесткость каркаса стала более важной, поскольку нагрузка возросла, как показано в пунктах (3) — (6), где
фактическое контактное давление выше, чем давление воздуха, т.е. уменьшенная площадь контакта.

Настройка измерения. Различные веса были размещены на конце балки, которая также загружала шину через
толстая стеклянная пластина. Балка была приспособлена для приложения нагрузки к шине с утечкой 4: 1. Итак, 25
кгс. вес будет загружать шину на 100 кгс. Проследив за стеклом область контакта
был определен.

Верхний график показывает измеренное давление пятна контакта при различных нагрузках на колесо для постоянного давления накачки.
2,4 бар. Нижние кривые показывают контактное давление при различных давлениях накачки для фиксированной нагрузки 1210 Н.
номера в точках данных соответствуют трассировкам области контакта в предыдущем эскизе. Простая линия на каждом участке
показывает случай, когда давление в контактной зоне равно давлению накачивания.

Жесткость каркаса помогает поддерживать машину, так как давление воздуха
уменьшается, давление пятна контакта значительно выше, чем давление накачивания. Выглядит как
хотя две линии будут пересекаться при давлении воздуха около 3,5 бар. (хотя это не было проверено
измерения), в этот момент поверхностное сжатие резины приобретет наибольшее значение.
Это по аналогии со стальным обручем выше.

Мы можем легко увидеть два отдельных эффекта соответствия поверхности и жесткости каркаса и того, как
Относительная важность этих вариантов с нагрузкой и / или давлением накачки.

Эти тесты были проведены только с одной конкретной шиной, другие типы покажут разные результаты, но
общие эффекты должны следовать аналогичной схеме.

Площадь под поворотом

Влияет ли поворот на зону контакта шины?
Предположим, что горизонтальная поверхность и боковое ускорение составляют 1G. В этих условиях байк / райдер
CoG будет находиться на линии под углом 45 ° к горизонтали и проходить через пятно контакта. Там будет
Результирующая сила, действующая вдоль этой линии через пятно контакта, в 1,4 раза превышает поддерживаемый вес.

Эта сила является результатом поддерживаемого веса и силы поворота, которые имеют одинаковую
величина, в этом примере наклона 45 °. Сила, нормальная к поверхности, просто из-за
поддерживаемый вес и НЕ зависит от силы поворота. Сила поворота реагирует
горизонтальная сила трения, создаваемая поверхностью шины / дороги, и эта сила трения "разрешена"
добродетель нормальной силы.

Следовательно, в первом приближении угловая сила не будет влиять на площадь контакта шины, и на самом деле это
Случай может быть приближен к, если бы мы просто рассматривали внутреннюю камеру без реальной шины.
Однако в действительности боковая сила вызовет некоторое дополнительное искажение шины на
поверхности дороги / шины и в зависимости от характеристик шины, упомянутых выше, область контакта может
хорошо измениться.

Другим аспектом этого является, конечно, профиль поперечного сечения шины. Старый Dunlop треугольные гонки
шина, например, была разработана таким образом, чтобы при наклоне было больше резины на дороге, поэтому даже без шины
искажение площадь пятна контакта увеличилась, просто из-за угла наклона.

Рэй Тейлор

http://www.CarsNet.com/motorcycle