Напряжения и деформации в каркасе и брекере

 

В предыдущей главе (раздел 2.3) рассмотрены вопросы моделирования произвольного сложного НДС с использованием двух видов деформирования – простого сдвига и чистого сдвига. Такое сочетание выбрано не случайно – именно так проще всего представить деформацию резины между нитями корда в резинокордном слое. Действительно, нити корда, особенно металлического, имеют гораздо более высокую жесткость при растяжении, чем резина. Экспериментальными исследованиями [[i]] установлено, что при нагружении тороидальной оболочки (шины) внутренним давлением, осевой и боковой нагрузкой, тормозным или ускоряющим моментом, и т.д., резина каркаса или брекера имеет максимальные сдвиговые деформации до ±30% и максимальные нормальные деформации до +15% Корд же растягивается не более чем на 5%, при этом большая часть этой величины является статической составляющей, обусловленной внутренним давлением. Амплитуда динамической составляющей[1] не превышает 1 – 3%. Таким образом, в первом приближении представляется допустимым (особенно для металлокордных систем) пренебрежение растяжимостью корда. Этот случай рассмотрен в первом разделе главы.

Для моделирования в лабораторных условиях напряжений и деформаций, возникающих на границе «корд-резина» и в резине между нитями корда, предложен для проведения статических (упруго-прочностных), динамических (циклических упруго-гистерезисных) и усталостных испытаний вид образца, представляющий собой прямоугольный фрагмент резинокордного полотна, названный образцом с «косой нитью» (ОКН). Название связано с тем, что угол ориентации нити корда к оси растяжения образца может меняться, обеспечивая разные сочетания нормальных и касательных деформаций (напряжений) на границе корд-резина.

Возникает вопрос: а насколько однородным является НДС резины между нитями корда, чтобы оправдать применимость предложенных в предыдущей главе расчетных методов? Ответ на этот вопрос дается на основе прецизионных экспериментов. Вместе с тем следует подчеркнуть, что результаты испытаний ОКН не будут связаны с наличием или отсутствием рассматриваемой однородности. Образцы заготавливаются из того же самого резинокордного полотна, из которого делают шину, поэтому имеющиеся неоднородности в шине будут повторяться в образцах.

В следующем разделе приводится общий случай расчета НДС резины между нитями корда с учетом конечной растяжимости последних. В этом случае реальное НДС может быть представлено суперпозицией трех сдвигов – добавляется чистый сдвиг вдоль нитей корда. Дан вывод соотношений, позволяющих рассчитать параметры ОКН, при которых условия нагружения резины между нитями корда в рассматриваемой детали шины соответствуют условиям, возникающим в ОКН при его испытаниях.

В следующим разделе дан анализ различий в деформационном поведении текстильных и металлических кордов. Рассмотрены критические условия, при которых резинокордный слой теряет устойчивость, что приводит к продольному сжатию нитей. Выведены соотношения, позволяющие учитывать деформируемость нитей текстильного корда в поперечном и продольном сдвиговом направлениях.

Итогом исследований, обобщенных в данной главе, является обоснование использования образцов типа ОКН для воспроизводства реальных условий нагружения, а также разработка математического аппарата для расчета параметров ОКН, при которых реализуется НДС шины.

 

3.2 Резинокордные однослойные образцы с «косой» нитью (ОКН). Критерии однородности деформации резины между нитями корда

 

Анализ литературы, приведенный в главе 1, позволил заключить, что для решения практических задач следует искать компромисс - создавать образцы для лабораторных испытаний резинокордных композитов, в которых, с одной стороны, реализуется НДС, близкое к реальной ситуации в шине, а с другой стороны - допускающие достаточно строгое применение расчетно-экспериментальных методов для задания нужного НДС и адекватной обработки результатов испытаний. В конечном итоге идеальной представляется такая ситуация, когда результаты простых лабораторных испытаний специальных резинокордных образцов позволяют с высокой степенью достоверности прогнозировать поведение в эксплуатации резинокордных деталей конкретной шины в конкретных условиях. Для решения этой задачи – максимум необходимо использовать такой резинокордный образец, который удовлетворял бы следующим условиям:

 

· Конструкция образца должна быть по возможности приближена к конструкции деталей брекера и каркаса шин.

· Условия нагружения образца должны отражать условия нагружения брекера и каркаса шин.

· На одном типе образца требуется определять равновесные, динамические и предельные характеристики.

· НДС образца должно быть достаточно однородным для обеспечения возможности пересчета характеристик образца на характеристики резинокордных деталей шины.

· Конструкция образца должна обеспечивать высокую точность задания параметров нагружения и определения результатов испытаний.

· Образец должен быть прост в изготовлении.

· Должна иметься возможность заготовки того же типа образца из шин.

· Должна быть предусмотрена возможность одновременной установки на машины для усталостных испытаний (УР-500, МРС-2, ММР и др.) большого числа образцов (до 24) с целью сокращения затрат и уменьшения времени на проведение усталостных испытаний.

Образец не должен быть массивным для обеспечения высокой однородности вулканизационной сетки.

 

Всем указанным требованиям в большой степени удовлетворяет резинокордный образец, представляющий прямоугольный фрагмент резинокордного слоя. Его конструкция отражает конструкцию РКК в шине, т.к. образец заготавливается из того же резинокордного полотна, которое используется в производстве исследуемой шины. Он прост в изготовлении и, как мы увидим ниже, позволяет с высокой степенью точности воспроизводить то НДС, которое возникает в шине при ее эксплуатации. Один и тот же образец может быть использован в статических, динамических и усталостных испытаниях.

 

Он имеет небольшую толщину, что позволяет гарантировать однородность степени вулканизации по всему массиву образца и использовать специальные вулканизационные прессы с переменной температурой вулканизации. Кроме НДС резины между нитями корда и нормальных и касательных напряжений на границе «корд-резина», образец своей боковой поверхностью имитирует кромку брекера шины, которая является одним из наиболее уязвимых мест шины с точки зрения возникновения очага усталостного разрушения. Общий вид образца приведен на рис. 3.2.1.

При проведении испытаний образец закрепляется в зажимы испытательной машины так же, как это делается для полоски резины. Для определения величины его общей деформации при упруго-прочностных испытаниях следует использовать экстензометр – устройство для определения величины растяжения образца в области однородного деформирования. Следует отметить, что неоднородности, связанные с концевыми эффектами, простираются в этих образцах существенно дальше от зажимов, чем неоднородности при испытаниях резиновых полосок. По этой причине размер рабочего участка, как правило, существенно меньше расстояния между зажимами испытательной машины. Вид образца,

 

а) б)

Рис. 3.2.2 Вид образца ОКН: а) - до деформирования, б) - в растянутом виде.

 

который закреплен в зажимы и растянут, представлен на рис. 3.2.2.

Образцы, заготовленные из одного и того же материала (резинокордного полотна) могут отличаться один от другого величиной угла j, характеризующего наклон нитей корда к продольной оси образца (рис. 3.2.1). Это отличие принципиальное и является центральным местом при реализации возможности воспроизведения на образце того НДС, которое возникает в шине при ее эксплуатации. По этой причине предлагаемые для лабораторных испытаний резинокордные образцы- полоски названы образцами с «косой нитью» (ОКН). В самом деле, в образцах с поперечным расположением нитей корда (j = 90⁰) НДС резины между нитями корда является чистым сдвигом^[2], а касательные напряжения на границе «корд-резина» равны нулю. В общем случае (j ¹90⁰) НДС резины представляет собой суперпозицию чистого и простого сдвигов, при этом на границе «корд-резина» действуют и касательные, и нормальные напряжения и деформации и их соотношение зависит от величины угла j.

Перечислим предположения, которые нами используются в дальнейшем.

Будем предполагать, что деформация резины между нитями корда является однородной. Уточним, что однородность между нитями корда может нарушаться по двум причинам: из-за взаимодействия резины с поверхностью корда и из-за наличия края резинокордной полоски, представляющей ОКН.

Вторая причина многократно обсуждалась в литературе (см., напр., [iv]). Она напрямую связана с реализацией чистого сдвига. Ее вклад тем меньше, чем больше отношение длины нитей корда к расстоянию между нитями.

Первая причина нарушения однородности, на первый взгляд, представляется существенной из-за того, что расстояние между нитями корда примерно равно толщине резинового слоя (или диаметру нити). В дальнейшем мы проверим, насколько наше предположение об однородности НДС соответствует действительности.

Примем также, что в процессе деформирования ОКН в зоне рабочего участка сохраняется прямолинейность нити корда. Это предположение отчетливо подтверждается экспериментально (рис. 3.2.2). Но, строго говоря, если принять несущественной вторую возможную причину нарушения однородности, то прямолинейность нитей корда следует из этого автоматически. В этом случае нет причин, которые привели бы к искривлению нитей при деформировании. Тем не менее, имеются работы по механике деформирования резинокордных слоев, из которых следует существенное отклонение от прямолинейности.

Первое свидетельство в пользу правомерности предположения о высокой степени однородности НДС резины между нитями корда при растяжении ОКН визуально следует из рис. 3.2.2. Отчетливо видна плоская поверхность резины между нитями корда, что может быть только при однородной деформации. Количественно степень однородности будет оценена ниже из более строгих соображений.

Следующее предположение состоит в том, что при растяжении ОКН нити корда считаются нерастяжимыми. Это является следствием того, что при нагружении ОКН нити корда не испытывают тех максимальных нагрузок, которым они подвергаются в шине. В ОКН воспроизводятся условия нагружения резины между нитями корда, но не самих нитей. В настоящее время практически не наблюдаются дефекты, связанные с низкой прочностью корда, и в данной работе эта проблема не рассматривается. С учетом низких нагрузок на нить в ОКН^[3] и на несколько порядков более высоких значений модуля корда при растяжении, чем модуля резины, это предположение не вызывает сомнений при рассмотрении металлокорда. Для образцов с текстильным кордом ниже будут выведены соотношения, из которых следуют ограничения на значения параметров образца, при которых нить корда испытывает растягивающие или сжимающие нагрузки.

 

[1] В данном случае термин «динамическая составляющая» не имеет классического смысла зависимости данного показателя от времени или частоты, а характеризует изменение амплитуды от угла поворота колеса.

[2] Мы рассматриваем нить металлокорда, которая не сжимается при растяжении ОКН с углом j = 90⁰. Для текстильных кордов это утверждение неверно. Здесь, как будет показано ниже, НДС ближе к одноосному растяжению.

 

[3] Следует уточнить, что при очень маленьких значениях угла j нагрузка на нить корда может быть достаточно большой. Испытания таких образцов не проводились, как уже было сказано, по причине отсутствия таких дефектов в шинах.

[i] Исследование механики пневматической шины. Сб. научных трудов ордена Ленина НИИ шинной промышленности, ред. Третьяков О.Б., М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1988, 224 с.

⇐ Предыдущая123

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: