Jak to jest zrobione ???

[vandarko]

Niewielu kierowców, nawet tych najbardziej doświadczonych, zdaje sobie sprawę, jak złożoną częścią jest opona samochodowa. Choć podstawowe zasady jej budowy nie zmieniły się od ponad stu lat.
Wynalazek pana Dunlopa był rurą wykonaną z gumy wzmocnionej tekstylną tkaniną zawiniętą na kształt torusa i wypełnioną powietrzem pod ciśnieniem większym niż atmosferyczne.


Całość montowano na obręczy koła jezdnego, np. samochodu, z czasem według pomysłu braci Michelin owo mocowanie stało się rozłączne. Choć dzisiaj wszystko jest inne niż przed stu laty – guma, osnowa (z tkaniny, ale niekoniecznie tekstylnej), obręcz, a nawet gaz wewnątrz opony (azot) – to jednak, przyznajmy, zasada działania i budowy pozostaje ta sama. Co więcej, specjaliści od opon przyznają, że mają one przed sobą jeszcze długą drogę rozwoju konstrukcyjnego, bo zjawiska, jakie w nich zachodzą w różnych warunkach użytkowania, nie są wcale do końca zbadane.




PODSTAWY KONSTRUKCJI


Zacznijmy od budowy nowoczesnej opony, która dziś jest prawie wyłącznie radialną, czyli promieniową. Określenie to pochodzi od ułożenia włókien tkaniny, która tworzy konstrukcję opony. O ile tradycyjne krzyżowe miały tę tkaninę nakładaną warstwami pod kątem ok. 45o do osi symetrii, a zatem włókna kolejnych warstw położone były na krzyż, to osnowę radialnych ułożono prostopadle do ich osi symetrii. W oponie krzyżowej bieżnik był warstwą gumy ulokowanej wprost na osnowie i pracował wraz z nią, w radialnej zaś znajdują się dodatkowe warstwy tzw. opasania wykonane z kordu stalowego.
Ogólna zasada jest taka, że bieżnik wraz z opasaniem pracuje w oponie radialnej do pewnego stopnia oddzielnie od osnowy i boków opony, a zatem nie odkształca się (lub odkształca znacznie mniej) podczas ugięć boków opony wywołanych siłami poprzecznymi lub naciskiem koła na podłoże. W pewnym okresie produkowano też opony o konstrukcji przejściowej, tzw. opasane – jak nazwa wskazuje, było to ogumienie o konstrukcji krzyżowej, ale wyposażone w opasanie na wzór radialnych.

Opony radialne charakteryzują się mniejszymi oporami toczenia oraz lepszym przyleganiem bieżnika do nawierzchni, czyli lepszym prowadzeniem auta, od krzyżowych i to zadecydowało o ich rozpowszechnieniu. Dziś w nowoczesnych samochodach, także ciężarowych, praktycznie nie stosuje się opon krzyżowych z wyjątkiem np. maszyn specjalnych. Występują też w nielicznych formach sportu samochodowego, w zasadzie tam, gdzie istotne jest przede wszystkim efektywne przeniesienie momentu napędowego podczas ruszania pojazdu, a jego prowadzenie ma mniejsze znaczenie (zawody dragsterów, przyspieszanie na 400 metrów i rallycross).
Na bezdętkową oponę składa się – w dużym uproszczeniu – osnowa, pas bieżnika, stopa opony (utrzymująca ją na obręczy) oraz wewnętrzna warstwa gumy nieprzepuszczająca powietrza, która zastępuje dętkę.

Wrażenie, że powyższe rysunki oddają rzeczywistą budowę opony, jest mylne. Przede wszystkim nie wskazują one, że nowoczesną oponę zbudowano z bardzo wielu, nierzadko kilkudziesięciu, rodzajów gumy o różnych własnościach – sprężystości, twardości, histerezie (zdolności do pochłaniania energii) itp. Każdy element, każda warstwa mogą wymagać innych parametrów konstrukcyjnych materiału i tu właśnie kryje się tajemnica konstruowania i produkowania opon.
Nawiasem mówiąc, nawet dzisiaj znaczna większość opon wytwarzana jest częściowo ręcznie. W tradycyjnym cyklu jej powstawania zmechanizowana jest produkcja poszczególnych elementów składowych, czyli wykonanie surowych mieszanek gumowych (a z nich pasów gumy), pasów bocznych ścian, bieżnika i stopek opony. Elementy te składane są na stanowiskach ręcznie obsługiwanych i dopiero wtedy opona przyjmuje kolisty kształt, nieco podobny do efektu końcowego. Ostatni etap to wygrzewanie surowej opony w formie wulkanizacyjnej. W czasie tego procesu wszystkie jej elementy są zespolone, guma nabiera właściwych cech fizycznych, a bieżnik i boki przyjmują końcowy kształt i fakturę.

Wulkanizacja to proces chemiczny wynaleziony przez Charlesa Goodyeara, polegający na łączeniu na gorąco długich łańcuchów węglowodorowych, z jakich składa się kauczuk, wiązaniami z siarki. Twardość i elastyczność gumy zależy m.in. od czasu i temperatury, w jakich przeprowadzana jest wulkanizacja.
Obecnie firmy oponiarskie dokonują procesu przynajmniej częściowej automatyzacji wytwarzania opon, możliwa jest też produkcja całkowicie automatyczna. Michelin opracował proces nazwany C3M i podaje, że stanowisko takie można zmontować w ciągu 24 godzin, zajmuje ono 30 m2 powierzchni, a do pracy wymaga jedynie zasilania elektrycznego i sprężonego powietrza. Parametry wyjściowe opony programowane są w komputerze sterującym urządzeniem. Oczywiście komponenty należy podawać z zewnątrz – odpowiednie rodzaje gumy oraz kordu, drutu stalowego itp.

Gotowa zwulkaznizowana opona, która na jednym stanowisku przechodzi siedem faz produkcyjnych, opuszcza urządzenie po półgodzinie od zaprogramowania komputera. System C3M przydatny jest przy produkcji małych serii opon spełniających specjalne wymagania odbiorcy. Firma nie podaje istotnych szczegółów mogących „odtajnić” sposób działania C3M.
Włoska firma Pirelli opracowała zrobotyzowany system produkcji opon MIRS (Modular Integrated Robotised System), który jednak nie daje się tak łatwo przenosić z miejsca na miejsce jak rozwiązanie Michelina. MIRS zajmuje 350 m2, jest w stanie wyprodukować nawet pojedynczą oponę o konkretnym rozmiarze, a w normalnym cyklu wytwarza jedną oponę co trzy minuty.
Podaje się, że ze względu na znacznie większą wydajność procesu produkcyjnego MIRS (np. zmniejszony z 375 do 20 minut czas zmiany modelu opony, ograniczone zużycia energii o 33%, a także zapotrzebowania na powierzchnię produkcyjną o 80% itp.), koszt wytworu końcowego spadnie o 25%. W systemie tym liczba faz produkcji spada z 14 do 3,jednym z ważnych czynników jest znaczne ograniczenie zapasów magazynowych, a jakość opon rośnie, nie spada. Wydaje się, że przyszłość produkcji ogumienia leży właśnie w robotyzacji.

GORSZA CZY LEPSZA?

Opony samochodowe, nawet te przeznaczone do aut osobowych, występują w niezliczonej ilości odmian i modeli. Najbardziej zastanawiające jest to, że ogumienie o takim samym rozmiarze dostępne jest często w bardzo różnych cenach. Ogólnie rzecz biorąc, wynika to z tego, że główne koncerny oponiarskie przeznaczają dla swej rodzimej marki najwyższy segment rynku, natomiast dla swych pozostałych produktów segmenty średni i opon najtańszych. Nie nam rozsądzać, czy ogumienie oznaczone jako Michelin, Pirelli czy Goodyear jest w takim samym procencie „lepsze”, w jakim wyższa jest jego cena, od opony marki Kormoran, Sava czy Dębica. Różnice z pewnością istnieją, ale prawdopodobnie są mniejsze, niż nam się wydaje. Ponadto istotne są wymagania, jakie stawiamy oponie, i w tym względzie absolutnie nie ma jednoznaczności. Wynika to ze złożoności konstrukcji ogumienia i z charakteru użytych do jego produkcji materiałów,
w tym przede wszystkim gumy. W praktyce dla niektórych odbiorców najważniejsza będzie trwałość opony (a właściwie odporność na zużycie bieżnika), dla innych oferowana przez nią przyczepność lub komfort jazdy. Ale już przyczepność nie jest parametrem jednoznacznym – czy chodzi o zachowanie opony na suchych nawierzchniach asfaltowych, czy na mokrych, a może w zimie na lodzie, albo na nawierzchniach luźnych? Komfort można określić dokładniej – chodzi o tłumienie drgań pochodzących od podłoża oraz o głośność, zarówno pokonywania nierówności, jak i hałas toczenia opony.

W rezultacie opony różnią się nie tylko przeznaczeniem dla określonej pory roku – o podziale na opony zimowe i letnie, tak ważnym w naszej strefie geograficznej, wiemy wszyscy – ale także np. dla strefy klimatycznej. Na przykład w południowych Włoszech i w Hiszpanii odbiorcy mogą uznawać za najlepsze inne modele opon niż użytkownicy w Polsce i w Niemczech, gdzie jazda po mokrym (a nawet brudnym) asfalcie w chłodny dzień jest codziennością. Oczywiście opony przeznaczone dla różnych nawierzchni są całkiem inną kwestią. Problemy (dla ich konstruktorów) pojawiają się np. wtedy, gdy właściciel samochodu terenowego chce, aby jego ogumienie miało własności off-roadowe, a ponadto było ciche i nadawało się do szybkiej jazdy autostradowej. Takie połączenie jest w praktyce niemożliwe – trzeba kompromisu.
Wytwórcy ogumienia zalety swych produktów często przedstawiają w sposób graficzny. Jest to rodzaj wykresu „pajęczyny”, pokazującego poszczególne własności opony na zasadzie „lepszy – gorszy”. Przykładem niech będzie publikowane już w ATM przedstawienie różnic pomiędzy oponami letnimi i zimowymi, gdzie opona uniwersalna jest pewnego rodzaju odniesieniem.

[vandarko]

Cd 1 tematu

JAK OPONA W WODZIE

Na suchych i twardych nawierzchniach najlepszą przyczepność i kierowalność auta oferuje ogumienie pozbawione rzeźby bieżnika – w nomenklaturze sportowej określane jako „slick”. W takim wypadku liczy się jedynie konstrukcja opony (jej odkształcalność pod wpływem obciążeń) oraz współpraca gumy bieżnika z podłożem, czyli po prostu współczynnik tarcia pomiędzy tymi dwoma materiałami.
Zależy on od doboru mieszanki gumowej do określonych warunków, przy czym jednym z najistotniejszych parametrów są temperatura gumy i temperatura podłoża. Ogólnie przyjmuje się, że bardziej „miękkie” mieszanki gumowe oferują lepszą przyczepność, natomiast im wyższa temperatura, tym twardszą gumę należy stosować. Oczywiście jest to daleko idące uproszczenie, należy brać pod uwagę znacznie więcej czynników, poczynając – w jeździe sportowej – od dynamiki jazdy zawodnika, chropowatości i czystości nawierzchni, a kończąc na doborze parametrów zawieszenia i tłumienia amortyzatorów (interesujące, że im twardsze zawieszenie, tym na nierównym asfalcie bardziej podgrzewa się guma bieżnika).
Poza wyczynem samochodowym tak precyzyjny dobór wersji opony do istniejących warunków nie jest możliwy. Producenci starają się uzyskać jakiś kompromis, uwzględniający też trwałość ogumienia, komfort jazdy i ograniczenie oporów toczenia. Nawet w sportach samochodowych coraz rzadziej widzimy specjalistyczne opony „slick”, a w jeździe codziennej są one niedopuszczalne, choć przecież wiadomo, że rzeźba bieżnika na nawierzchniach twardych pogarsza warunki pracy opony. Przy obciążeniach bocznych i wzdłużnych (jazda w zakrętach, hamowanie) zawsze zwiększa jego odkształcenie, a zatem pogarsza precyzję przenoszenia sił pomiędzy jezdnią a pojazdem. Przekłada się to na zwiększenie drogi hamowania i zmniejszenie dopuszczalnej prędkości na zakręcie, a mimo to rzeźba bieżnika jest wymagana i stosowana. Dlaczego? Przyczyną jest to, że opona musi nadawać się do eksploatacji w zmiennych warunkach, także wtedy, gdy nawierzchnia jest mokra, a nawet pokryta konkretną grubą warstwą wody. Wtedy „czysta przyczepność” schodzi na drugi plan i podstawowym zmartwieniem jest to, czy bieżnik opon szybko jadącego samochodu w ogóle ma kontakt z podłożem. W przeciwnym wypadku, gdy woda nie zostanie usunięta spomiędzy gumy i asfaltu, auto stanie się absolutnie niesterowalne – taka jazda na poduszce wodnej (podobnej do warstwy oleju smarującej łożysko ślizgowe) nazywa się aquaplaningiem.
Powiedzmy od razu – nie ma takiej konstrukcji bieżnika, która chroniłaby niezawodnie przed aquaplaningiem niezależnie od prędkości samochodu, grubości warstwy wody i szerokości opony. Właśnie te trzy parametry są najistotniejsze i prawdopodobieństwo aquaplaningu jest tym większe:

• im szersza opona lub mniejszy jest nacisk przypadający na jednostkę jej styku z nawierzchnią
• im większa jest prędkość pojazdu
• im grubsza jest warstwa wody.

Rzeźba bieżnika służy więc do transportowania wody znajdującej się w obszarze styku opony z drogą, na zewnątrz tego obszaru, czyli – najlepiej – na boki. Proces ten jest dynamiczny i stosunkowo prosty do opisania. Już dość dawno standardem dla opon „na wodę” stał się bieżnik o rzeźbie kierunkowej z kanałami ułożonymi„w jodełkę” – czubkiem w kierunku początkowego styku każdego kanału z podłożem. W rzeczywistości kanały tworzące się pomiędzy oponą a podłożem powinny mieć kształt zbliżony do hiperboli oraz najlepiej płynnie rozszerzać się od „czubka” aż do bocznej krawędzi bieżnika. Wtedy przepływ wody od centrum powierzchni styku opony z jezdnią na zewnątrz może być najintensywniejszy. W praktyce widzimy jednak opony kierunkowe o różnym profilu rzeźby bieżnika. Wynika to z ich szczególnych zastosowań, z tego, że opisana forma nie zawsze jest najkorzystniejsza do jazdy po nawierzchniach suchych, wreszcie z uwarunkowań marketingowych.

Interesujące, że producenci ogumienia klasy premium przeznaczonego do szybkich samochodów stopniowo odchodzą od stosowania symetrycznych bieżników kierunkowych. Tutaj trwa walka o opracowanie bieżnika zapewniającego jak najlepsza stabilność i krótkie drogi hamowania przy dynamicznej jeździe i jednocześnie wystarczająco dobrego na nawierzchniach mokrych. Odpowiedzią są bieżniki asymetryczne bardzo ubogie w kanały i sztywne w zewnętrznej części (tam, gdzie obciążenia na zakrętach są największe) oraz ze stosunkowo bardzo bogatą rzeźbą po wewnętrznej stronie samochodu, tam, gdzie naciski są umiarkowane, ale istotne jest sprawne odprowadzenie ewentualnej wody. Stosuje się szczególne rozwiązania, np. gumę o różnej twardości na zewnętrzne i wewnętrzne obszary bieżnika (Michelin), rowki wzdłużne o niesymetrycznie ukształtowanym przekroju (Continental Sport Contact 3) oraz czasami nawet profile bieżnika jednocześnie kierunkowe i asymetryczne, czyli takie, że dla jednego auta wymagane są dwie wersje tych samych opon – „prawe” i „lewe” (Pirelli P Zero Asimetrico).

W nowoczesnych oponach tej klasy ograniczenie rzeźby bieżnika poprawia ich parametry na nawierzchniach suchych, parametry zaś „na mokro” uzyskuje się, stosując specjalne mieszanki gumowe
o zmniejszonej twardości i np. z dodatkiem silikonu.

[vandarko]

Cd 2 tematu


SZEROKA I NISKA

Mimo że średnie prędkości samochodów w europejskim ruchu drogowym ciągle maleją, rośnie tendencja do stosowania opon, które dawniej nazywalibyśmy sportowymi – szerokich, o dużej średnicy, ale niskoprofilowych. Można to łatwo wytłumaczyć – na dobrych drogach ogumienie o wysokim profilu, dobrze tłumiące drgania zawieszenia, nie jest już konieczne. Natomiast im opona szersza i o większej średnicy, tym większa powierzchnia styku bieżnika z jezdnią, co przy określonym obciążeniu poprawia kierowalność auta i zmniejsza drogę hamowania. Ponadto wewnątrz dużej obręczy mieszczą się spore hamulce. A więc same korzyści? Wydawałoby się, że tak, przynajmniej w dobrych warunkach drogowych. Oczywiście na takich oponach trudniej jeździć zimą, ale z kolei przyjmuje się, że w krajach o zmiennym klimacie (np. Niemcy, kraje Beneluksu, Skandynawia) wszyscy mają ogumienie zimowe. A więc niskoprofilowe ogumienie letnie o wysokich indeksach prędkości wygrywa nawet tam, gdzie istnieją przeciwwskazania do jego używania (także w Polsce), wynikające z nie najlepszej nawierzchni dróg.
Przyjrzyjmy się przy okazji kwestii dopuszczalnych prędkości ogumienia, czyli tzw. indeksów prędkości. Z parametrem tym konstruktorzy opon mają spory kłopot. Gdy prędkość obrotowa koła rośnie np. dwukrotnie, siły bezwładności działające na oponę zwiększają się czterokrotnie – „w kwadracie” prędkości. Potrzebne są więc do konstrukcji opony lepsze materiały, większa liczba warstw osnowy, ściś-lejszy reżim produkcji. Idą za tym koszty. Czy warto je ponosić? Można założyć, że indeks prędkości popularnych opon S oznaczający 180 km/h jest tak wysoki, że trudno go wykorzystać. I może to prawda, ale gdy samochód może pojechać np. 200 km/h, producent musi się zabezpieczyć i homologować doń ogumienie z zapasem dopuszczalnych parametrów, a nie ich niedomiarem.
Istnieje dodatkowy czynnik – dynamiczny samochód, który potrafi pojechać szybko, może też zdecydowanie przyspieszać i jest najpewniej przystosowany do żwawego przemieszczania się w zakrętach.
Nawet jeżeli rozważny kierowca nie wykorzystuje prędkości maksymalnej, to często bezwiednie robi użytek z dynamiki swego pojazdu. A opona z odpowiednim indeksem prędkości ma w pewnym sensie „wbudowany” w siebie zespół cech pozwalających na sprawną i odpowiednio aktywną jej eksploatację. Trudno byłoby kolejnymi symbolami szczegółowo opisać, jakie maksymalne przyspieszenia, czy jak duże siły boczne na zakręcie znosi ona bez protestu. Indeks prędkości do tego całkiem wystarczy. Tak więc użycie rozsądnie niskoprofilowych opon z dość wysokim indeksem prędkości rzeczywiście jest korzystne.
Jeżeli zamierzamy dobrać nowe opony do naszego samochodu, pomoże nam w tym zestawienie podane w tabelce powyżej. Jak widać również ta decyzja wymaga kompromisu, nie można mieć wszystkiego naraz.

OPONY DLA OSZCZĘDNYCH

Na przeciwnym biegunie produkcji nowoczesnego ogumienia znajdują się opony uznawane za „ekonomiczne” – nie chodzi tu wcale o cenę, ale o ich opory toczenia, które bezpośrednio rzutują na zużycie paliwa samochodu. Walkę o obniżenie oporów wymuszają producenci aut, toczący batalię o zmniejszenie emisji zanieczyszczeń do atmosfery. Widzimy więc, że wiele zależy tu od obowiązujących norm, które zresztą są ze sobą sprzeczne – pojazdy muszą być coraz bezpieczniejsze, więc stają się cięższe. Ale muszą też emitować mniej zanieczyszczeń, więc powinny być lżejsze. Wróćmy jednak do opon.
Oczywiste jest to, że opony typu „economy” mają ograniczoną szerokość bieżnika (mniejsze tarcie na zakrętach), a więc także dość wysoki profil. Opory toczenia wynikają ze strat powstających podczas uginania się opony przy każdym obrocie – część energii zaangażowanej w ten proces zamieniana jest w ciepło i to są właśnie straty. Czy należy więc mocniej pompować opony, by były twardsze? Sprzeciwia się temu dążenie do utrzymania rozsąd-nej współpracy bieżnika z nawierzchnią oraz walka o komfort jazdy, czyli o właściwe tłumienie drgań wymuszonych przez nawierzchnię.
W rzeczywistości charakterystyczny dla opony opór toczenia (podawany w kg/tonę obciążenia) zależy od kilku czynników:
• struktury i materiałów, z których jest wykonana
• indeksu prędkości – im wyższy, tym wymagana budowa opony zwiększa opory toczenia
• głębokości bieżnika – im większa, tym większe opory toczenia
• średnicy opony – im większa, tym opór toczenia maleje.

Opór toczenia zależy też od czynników zewnętrznych:
• maleje on wraz ze wzrostem temperatury zewnętrznej
• rośnie wraz ze wzrostem chropowatości nawierzchni
• wreszcie rośnie wraz ze spadkiem ciśnienia powietrza w oponie.


Jednym z podstawowych czynników wpływających na generowanie oporów przez oponę jest histereza gumy, z jakiej jest ona wykonana. Własność ta określa skłonność gumy do pochłaniania energii i zamieniania jej na ciepło przy zginaniu oraz powracaniu do poprzedniego kształtu. Idealnie sprężysta guma miałaby zerową histerezę, ale taki materiał nie istnieje. Z drugiej strony, im większą histerezę ma guma bieżnika, tym opona jest bardziej przyczepna, lepiej współpracuje z nawierzchnią. Tu właśnie leży konflikt między ograniczaniem oporów toczenia a dążeniem do uzyskania dobrej przyczepności opony.
W historii nowoczesnych opon nastąpiły dwa skokowe spadki średniego oporu toczenia. Pierwszy związany jest z powszechnym zastosowaniem opon radialnych (w przeciwieństwie do krzyżowych), drugi – w latach 90. XX w. – wynikał z zastosowania technologii mieszanek silikonowych, które zapewniają dobrą przyczepność bieżnika w niskich temperaturach i „na mokro” przy względnie niskiej histerezie gumy.
Obecnie ocenia się, że opory toczenia odpowiadają za 20% zużycia paliwa samochodów osobowych, ale również – w zależności od modelu opon – mogą się one różnić o 50%. Jedna z firm promująca „zielone” ogumienie (chodzi o ekologię, a nie kolor) to Michelin, który od 1992 r. oferuje wiele modeli takich opon. Michelin twierdzi, że opony Energy tej firmy charakteryzują się oporem toczenia o 25% mniejszym niż „zwykłe” (9 kg/t w porównaniu z 12 kg/t, –3% zużycia paliwa) i że jest możliwość obniżenia tej wartości o dalsze 25% wraz z zapowiadanym wprowadzeniem nowych opon energo-oszczędnych nazwanych Proxima. Firma ta dąży do wprowadzenia obowiązku oznaczania charakterystycznego dla wszystkich opon współczynnika oporu toczenia. Inny koncern – Pirelli – oferuje rodzinę opon ekologicznych P300.
Tymczasem firma Bridgestone przedstawiła nową koncepcję opony tracącej niewiele energii podczas jej obrotu dzięki zmianie charakteru odkształcenia.

W konwencjonalnej oponie odkształcenie następuje w stre-fie sztywnego bieżnika, który staje się lokalnie płaski na styku z podłożem. Bridgestone proponuje, by obwód bieżnika pozostał kolisty, natomiast odkształcenie przy obrocie przeniesione zostanie na odpowiednio ukształtowane niesztywne boki opony. W ten sposób opór toczenia ma spaść o 40%, bez zastosowania specjalnych mieszanek gumowych podatnych na zużycie i zmniejszających przyczepność.

tekst: Miesięcznik Technika Motoryzac