Wpływ starzenia opon samochodowych na wybrane parametry techniczne pojazdu

Transkrypt

1 ZASTEMPOWSKI Marcin 1 BOCHAT Andrzej BOROWSKI Sylwester KASZKOWIAK Jerzy PAWLICKI Paweł Wpływ starzenia opon samochodowych na wybrane parametry techniczne pojazdu WSTĘP Rozwój rynku motoryzacyjnego wymusza na producentach opon poszukiwanie nowych rozwiązań w zakresie bezpieczeństwa, trwałości i ekonomii. Prowadzone prace badawczo-rozwojowe z tego zakresu powodują ciągły wzrost kosztów produkcji, co bezpośrednio przekłada się na cenę szczególnie markowych opon. Obecnie, dodatkowo samochody wyposażane są w koła o coraz większych średnicach, co również wpływa na wyższe koszty zakupu nowych opon. Aspekty ekonomiczne spowodowały wśród kierowców zwiększone zainteresowanie oponami używanymi. Opony używane uważa się za zdatne eksploatacyjnie pod warunkiem właściwego ich dotychczasowego użytkowania, bez uszkodzeń mechanicznych (pęknięć, przetarć i deformacji). Ponadto opony powinny charakteryzować się odpowiednio dobranym składem mieszanki do konkretnej pory roku, właściwą głębokością bieżnika oraz dopuszczalnym okresem eksploatacji. Zmniejszenie głębokości bieżnika wpływa znacząco na wydłużenie drogi hamowania oraz na stabilność pojazdu w ruchu. Z analizy literatury wynika, że opony po 5-7 latach eksploatacji tracą swoje właściwości użytkowe [1,3,5]. Celem pracy jest ocena wpływu stanu technicznego opon na wskazania aparatury wykorzystywanej do kontroli stanu technicznego samochodu w stacji diagnostycznej. 1. OPONY BUDOWA I WŁAŚCIWOŚCI Opony charakteryzują się złożoną, warstwową konstrukcją. W ich skład wchodzi kilkanaście różnych elementów [1,2,4,7,8]. Schemat budowy opony przedstawiono na rysunku 1. Wśród jej głównych elementów składowych wyróżniamy [5]: kapę butylową, osnowę tekstylną, drutówki, wypełniacz, pasek stopowy, gumę boku, opasanie stalowe i bieżnik. Kapa butylowa jest szczelną wobec powietrza i wody warstwą gumy, która zastępuje dętkę w oponach bezdętkowych. Wykonana jest z butylu (kauczuku syntetycznego) mieszanki, która nie przepuszcza powietrza. Charakteryzuje się dużą odpornością na działanie środków utleniających, kwasów i zasad. Zadaniem kapy butylowej jest minimalizacja strat powietrza oraz ochrona elementów wewnętrznych przed wnikaniem tlenu, ozonu i wody. Osłona tekstylna opony jest składającą się z nitek kordu tkaniną tekstylną tworzącą swoisty szkielet opony. Dla przykładu opona samochodu osobowego zawiera 1, 2 lub 3 warstwy tekstylne. Ich grubość wynosi od 1 do 1,5 milimetra. Zadaniem warstwy tekstylnej jest utrzymywanie kształtu opony pod działaniem ciśnienia wewnętrznego oraz przenoszenie przeciążeń w czasie przyspieszania, hamowania i skręcenia. Drutówki to wytrzymałe druty tworzące kilka zwojów. Pozwalają na stabilne osadzenie opony na obręczy. Opony posiadają dwie drutówki, wokół których przewinięta jest warstwa osnowy tekstylnej. Wypełniacz to guma profilowana, która zapewnia utrzymanie drutówki oraz usztywnia stopkę. Odpowiada za kierowalność, komfort i trwałość opony. 1 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. J.J. Śniadeckich w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej; Al. prof. S. Kaliskiego 7, Bydgoszcz,. Tel: , zastemp@utp.edu.pl 1711

2 Rys.1. Budowa opony samochodowej [5] Pasek stopowy zapewnia trwałość oraz szczelność opony i izoluje drutówkę od felgi. Jest on wykonany z materiału, który zapewnia minimalne zużycie w czasie ciągłego kontaktu z felgą. Guma boku zapewnia ochronę opony. Zabezpiecza przed przetarciami, otarciami i czynnikami środowiskowymi, takimi jak: promieniowanie ultrafioletowe, różnice temperatur, środki chemiczne itp. W składzie mieszanki gumowej tego elementu bardzo ważna jest obecność tzw. składników antystarzeniowych. Opasanie stalowe to tkaniny metalowe tworzące uzbrojenie koła. Przeważnie w oponie występują dwa opasania. Zastosowaniem opasań w oponach radialnych jest poprawa kierowalności, tzn. lepsze przenoszenie poleceń kierowcy z kierownicy na drogę. Zadaniem bieżnika jest zapewnienie odpowiedniej przyczepności, kierowalności, odporność na zużycie, obniżenie poziomu hałasu oraz odpowiednich oporów toczenia. W mieszance bieżnika stosowane są kauczuki naturalne oraz kauczuki syntetyczne. Dodatkowymi elementami mogą być np.: elastomery, sadza, krzemionka, oleje przyśpieszacze, aktywatory wulkanizacji. Wpływ elementów składowych opon na parametry charakterystyki jazdy przedstawiono w tabeli 1. Tab. 1. Wpływ elementów opony na bezpieczeństwo i komfort jazdy [5] Warstwa tekstylna Bok opony Drutówka (stopka) Opasanie stalowe Przyczepność na mokrej drodze Przyczepność na suchej drodze mały mały nie dotyczy nie dotyczy Mieszanka bieżnika Wzór bieżnika Kształt formy mały mały duży duży średni mały średni duży duży średni Prowadzenie duży nie dotyczy duży duży duży duży duży Trwałość średni średni średni średni duży duży duży Opory toczenia średni mały mały średni duży średni mały Hałas średni mały duży średni mały duży średni Komfort średni mały duży duży średni duży duży Z tabeli 1 wynika, że największy pływ na bezpieczeństwo jazdy ma zastosowany w oponie bieżnik oraz mieszanka, która powinna być odpowiednio dobrana do warunków atmosferycznych (lato, zima). Bieżnik jest częścią opony, która ma ciągły i bezpośredni kontakt z nawierzchnią. Elementy rzeźby bieżnika przedstawiono na rysunku

3 Rys.2. Elementy rzeźby bieżnika opony samochodowej [5] Rzeźba bieżnika składa się z [1,2,5]: lamelek, bloków bieżnika, żebra bieżnika, rowka bieżnika i dołków. Lamelki to wąskie szczeliny tworzące w klockach bieżnika luki o szerokości 0,3-1,5 mm. Do zadań lamelek należy poprawa własności trakcyjnych na mokrej i śliskiej nawierzchni oraz udział w odprowadzaniu wody. Bloki bieżnika to elementy tworzące bieżnik. Podstawową ich funkcją jest zapewnienie dobrej trakcyjności opony. Żebro bieżnika to grzbiet bieżnika ciągnący się na jego całym obwodzie, niekiedy w jego skład wchodzą poprzeczne rowki. Tworzy obwodowy pas kontaktowy. Rowki bieżnika to wklęsła część bieżnika opony. Wzór rowków, ich kształt i wielkość odgrywają fundamentalną rolę decydując o jakości opony. Rowki poprawiają efektywność hamowania oraz kierowalność opony. Głębokość oraz wzór rowków decyduje o poziomie hałasu emitowanego przez oponę w trakcie ruchu pojazdu. W budowie bieżnika mogą występować także, tzw. dołki, których zadaniem jest poprawa chłodzenia opony. Każdy bieżnik posiada rowkowanie, które ma na celu stworzenie przestrzeni niezbędnej do usuwania wody spod opony na mokrych nawierzchniach. Utrzymanie dobrej przyczepności zapewnia skanalizowanie wody w szerokich rowkach bieżnika przebiegających wzdłuż osi opony. Stosunek powierzchni rowków do powierzchni bloków wpływa na całkowitą powierzchnię kontaktu opony z podłożem. Duża liczba rowków oznacza mniejszą przyczepność opony na suchej drodze, lecz odpowiednią zdolność usuwania wody na mokrej nawierzchni. Stopień rowkowania bieżnika zależy zatem od przeznaczenia opony [5,7,8]. 2. BADANIA, WYNIKI I DYSKUSJA Celem prowadzonych badań było uzyskanie informacji czy podczas okresowej kontroli pojazdów samochodowych w stacjach diagnostycznych osoba przeprowadzająca rutynową kontrolę ma możliwość stwierdzenia, poza pomiarem głębokości bieżnika i oceną powierzchniowych uszkodzeń opon, czy stan ich zużycia może niekorzystnie wpływać na dalsze bezpieczeństwo jazdy. W tym celu wybrano 7 par opon używanych. Do badań użyto: trzech par opon marki Bridgestone modelu Turanza ER300 z datami produkcji 2010, 2007 i 2005, trzech par opon marki Michelin modelu Energy E3A z roku 2006, modelu Pilot HX MXM G1 z roku 2002 i modelu Pilot HX MXM z roku 2000, jedną parę opon marki Continental model ContiWinterContact TS790 (opona zimowa). 1713

4 Wszystkie badane opony były w rozmiarze 205/55/R16. Wybrane opony przestawiono na rysunku 3. Rys.3. Materiał badawczy: opony Michelin Energy E3A, 205/55/R16 [opracowanie własne] Opony przed montażem na stanowisku pomiarowym badane były organoleptycznie w poszukiwaniu ewentualnych uszkodzeń mechanicznych. Zaobserwowano brak znamion uniemożliwiających eksploatację jak i ich użycie podczas badań. Następnie zmierzono głębokość bieżnika w celu weryfikacji opony i stwierdzenia czy zgonie z obowiązującymi przepisami Kodeksu Drogowego opona może być dopuszczona do ruchu (minimalna głębokość bieżnika 1,6 mm). Głębokość bieżnika mierzono w środku i po bokach rowków. Pomiar był dokonywany w 6-ciu równo od siebie oddalonych na obwodzie miejscach co 60. ącznie na średni wynik głębokości bieżnika składało się 18 pomiarów. Wartość średnią z pomiarów zamieszono w tabeli 3. Pomiarów dokonano elektronicznym miernikiem firmy Scangrip model SG z wyświetlaczem cyfrowym o dokładności odczytu do 0.01 [mm]. Po wykonaniu oględzin opon i pomiarów głębokości bieżnika montowano je do samochodu osobowego. Montaż opon odbywał się w wyspecjalizowanym warsztacie wulkanizacyjnym. Po montażu opon, każdorazowo dokonywano wyważenia kół. Wszystkie opony wykorzystane w badaniach pompowane były sprężonym powietrzem do ciśnienie 1,8 bar. Koła montowano do samochodu osobowego, który poddawany był testom diagnostycznym w stacji kontroli pojazdów. Sprawdzano stopień przylegania kół do podłoża oraz mierzono różnicę w sile hamowania. Urządzenie na którym dokonano pomiaru to linia diagnostyczna HEKA UNIVERS A2 (rysunek 4), która jest elektronicznym, płytowym urządzeniem diagnostycznym, przeznaczonym do kontroli układu hamulcowego, zbieżności i amortyzatorów pojazdów osobowych, dostawczych, ciągników rolniczych i busów o masie do 3,5 tony. Badanie pojazdu na urządzeniu HEKA jest procesem dynamicznym, odpowiadającym rzeczywistym warunkom jazdy [6]. Zastosowanie czujników typu "High-Speed" umożliwia wykonywanie badań pojazdów ze wspomaganiem układu hamulcowego. Stopień przylegania kół do podłoża w trakcie badań odczytywano w [%] natomiast różnicę siły hamowania w [N]. Parametry techniczne urządzenia przedstawiono w tabeli 2, a na rysunku 4 przedstawiono schemat funkcjonalny linii diagnostycznej w oparciu o którą dokonano badań. Każdorazowo testowano przednią oś samochodu. Samochód był poddawany trzykrotnie próbie przylegania kół do podłoża poprzez badanie amortyzatorów przednich, z zachowaniem 5-cio minutowych przerwach technologicznych po każdym badaniu. Wyniki badań przedstawiono w tabeli 3 oraz na rysunkach

5 Rys. 4. Schemat funkcjonalny linii diagnostycznej HEKA [6] W tabeli 2 przedstawiono dane techniczne i funkcjonalne urządzenia diagnostycznego HEKA UNIVERS A2. Tab. 2. Dane techniczne i funkcjonalne płytowego urządzenia diagnostycznego [6] Typ urządzenia Płytowe Dopuszczalny nacisk osi 4 t Współczynnik przyczepności 0,7/0,9 Zasilanie 220 / 230 V 50 Hz Test amortyzatorów tak Badanie ustawienia kół jezdnych pojazdu tak Badanie motocykli tak Model Univers A2 Wymiary płyt 2888 x 600 x 40 mm Na rysunku 5 przedstawiono widok stanowiska badawczego w trakcie prowadzenia badań w stacji diagnostycznej. Rys. 5. Pojazd podczas badań diagnostycznych [opracowanie własne] 1715

6 W drugim etapie badań samochód poddawany był próbie skuteczności hamowania. Badanie wykonywano w następujący sposób. Pojazd rozpędzano do prędkości 5 km/h, a następnie gwałtownie hamowano tak, aby przednia oś podczas hamowania była wyłącznie na płytach diagnostycznych. Wynik wykazywał różnice sił hamowania między kołem lewym, a prawym. Badanie było powtarzane trzykrotnie na każdej parze badanego ogumienia. W trakcie badań nie zarejestrowano znacznego nagrzewania się elementów ciernych w związku z tym nie stosowano przerw technologicznych. Tab. 3. Wyniki pomiarów i badań [opracowanie własne] Głębokość bieżnika [mm] Stopień przylegania [%] Różnica w sile Opona Opona Opona Opona lewa Opona lewa hamowania prawa prawa [N] Bridgestone Turanza ER300 3,50 5, /55/16R V91, 2010 r. Bridgestone Turanza ER300 3,21 3, /55/16R W91, 2007 r. Bridgestone Turanza ER300 3,01 4, /55/16R H91, 2005 r. Michelin Energy E3A 2,92 3, /55/16R H91, 2005 r. Michelin Pilot HX MXM G1 3,38 3, /55/16R H91, 2002 r. Michelin Pilot HX MXM 5,09 3, /55/16R W91, 2000 r. Continental ContiWinterContact TS /55/16R H91, 1999 r. 3,26 4, Przykładowe wykresy tłumienia drgań przedstawiono na rysunkach 6-8. Rys. 6. Wyniki badań pary opon Bridgestone 2010 (koło lewe) [opracowanie własne] 1716

7 Rys. 7. Wyniki badań pary opon Michelin 2000 (koło lewe) [opracowanie własne] Rys. 8. Wyniki badań pary opon Continental 1999 (koło lewe) [opracowanie własne] Podczas testu skuteczności tłumienia drgań przez zawieszenie przedniej osi pojazdu, lewe koło zawsze osiągało stopnień przylegania na poziomie 84%, natomiast prawe koło uzyskiwało wyniki w zakresie 76-79%. Najlepsze wyniki przylegania uzyskała para opon Michelin Energy E3A. Odpowiednio dla prawego koła 84% i dla lewego 79%. Wykresy amplitud drgań we wszystkich badanych parach opon są bardzo podobne. Nie zaobserwowano wyraźniej różnicy między oponami starszymi, a nowszymi. Również różnice głękokości bieżnika nie wpływają zauważalnie na wyniki widma drgań (rysunki 6,7 i 8). Podczas testu siły hamowania na płytach diagnostycznych koło prawe zawsze hamowało skuteczniej, co jest indywidualną cechą badanego pojazdu. Największą różniącą siły hamowania zidentyfikowano dla opon Michelin Pilot HX MXM z 2000 roku, różnica wynosiła 390 N. Natomiast najmniejszą różnicę w sile hamowania osiągnęły opony Bridgestone Turanza ER300 z 2005, jedynie 100 N. Przebadano również jedną parę opon zimowych Continental ContiWinterContact TS790, jednakże wyniki tych badań nie różniły się w stopniu zauważalnym od opon letnich. PODSUMOWANIE W ramach realizacji pracy wykonano badania i odpowiedziano na pytanie czy opony o różnym stopniu zużycia zamontowane w samochodzie osobowym mają wpływ na wynik kontroli technicznej badań diagnostycznych i czy porównując wyniki uzyskane dla różnych par opon będzie można stwierdzić, że dane opony wpływają niekorzystnie na bezpieczeństwo jazdy Wyniki przeprowadzonych badań nie wykazały związku przyczynowo skutkowego stanu technicznego opon oraz stopnia jej zużycia z jej zdolnościami do tłumienia drgań. Nie 1717

8 zaobserwowano również związku między wiekiem ogumienia i stopniem zużycia opon, a wynikiem badań różnic w sile hamowania kół przedniej osi. Podsumowując należy stwierdzić, że nowoczesne urządzenia będące na wyposażeniu stacji diagnostycznych w sposób jednoznaczny diagnozują układ zawieszenia i układ hamulcowy pomijając wpływ stanu opon zamontowanych w pojeździe. Streszczenie W artykule omówiono wpływ opon na wskazania aparatury wykorzystywanej do sprawdzania stanu technicznego pojazdu w stacji diagnostycznej. Do badań wykorzystano opony używane różnych marek i po różnym okresie eksploatacji. Badania przeprowadzano testując przednią oś samochodu. Samochód był poddawany trzykrotnie próbie przylegania kół do podłoża poprzez badanie amortyzatorów przednich oraz poddawany był próbie skuteczności hamowania. Przeprowadzone badania w stacji diagnostycznej nie wykazały wpływu zamontowanych w samochodzie opon na wskazania aparatury pomiarowej. Impact of car tires consumption on selected technical vehicle parameters Abstract The article presents impact of tires on the indication apparatus used to check the condition of the vehicle in the diagnostic station. The study used different brands of used tires and after different periods of life. Tests were conducted by testing the front axle of the car. The car was tested three times. The test wheel of adhesion to the ground was made by examining of the shock from front axle. The car was subjected to try of braking. The research in diagnostic station showed no connection between tire mounted in a car and indication of the measuring apparatus. BIBLIOGRAFIA 1. Burdzik R., Badania wpływu ciśnienia w ogumieniu na hałas generowany przez opony samochodowe. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej. Transport z.78, 2013, s Jaworski J., Ogumienie pojazdów samochodowych: budowa i eksploatacja. Wyd. Komunikacji i ączności, Warszawa Materiały reklamowe firmy Michelin. Opona: komfort mechaniczny i akustyczny. Clermont- Ferrand: Societe de Technologie Michelin, Materiały reklamowe firmy Michelin 5. Materiały reklamowe firmy Oponeo 6. Materiały reklamowe firmy HEKA