Základní funkcí pneumatiky je přenos síly z hnací nápravy do styčné plochy s podložkou, nesení nákladu o měnící se hmotnosti a působení jako pružný element mezi podvozkovou částí vozidla a podložkou, po které se vozidlo pohybuje.
Pro splnění uvedených základních funkcí musí být pneumatika konstruovaná tak, aby byl splněn první požadavek - vznikla plocha styku pneumatiky s pevným rovinným povrchem vozovky, takže hlavní požadavek na pneumatiku je vznik deformací pneumatiky v určitých jejích částech tak, aby styčná plocha byla optimální. Styčná plocha pomalu se odvalující pneumatiky se nepatrně liší od styčné plochy stojící pneumatiky. Čím rychleji se vozidlo na pneumatikách pohybuje, tím je rozdíl ve styčné ploše vyšší a také tvar styčné plochy se mění.
Druhým požadavkem je, aby zatížení, které může pneumatika přenášet nebylo limitováno vlastnostmi materiálu pneumatiky, jako je to například u plné pryžové obruče. V případě plné obruče je celá zátěž nesena pouze malou částí z celkového objemu obruče. U klasické pneumatiky, ve které je tlak vzduchu, je schopnost nést zatížení určena především styčnou plochou a tlakem vzduchu v pneumatice, méně je to kostrou pneumatiky.
Pneumatiky bez vnitřního plnění
Některé pneumatikářské koncerny vyrábějí tzv. pneumatiky bez vnitřního plnění tlakovým vzduchem označené „Press-on Tires“ (například Bergougnan), které jsou používány v průmyslu vysokozdvižnými vozíky a skladovými manipulátory, které se pohybují po rovných a pevných plochách nízkou pojezdovou rychlostí. U pneumatik je deklarována dlouhá životnost, vysoká odolnost, trvanlivost pro těžké pracovní podmínky, odolnost vůči průrazu a řezu, nízký odpor valení a vysoká stabilita rozměru. Firma JCB, která vyrábí stroje pro zemědělství, stavebnictví a zemní práce, osazuje kola malých čelních nakladačů JCB 1 CX pneumatikami s označením „ JCB Airboss tyres“(foto č. 1). Nejedná se o klasickou pneumatiku, ale o dělenou obruč. Jednotlivé segmenty ve tvaru šípového dezénu, který známe z hnacích kol zemědělských a lesnických traktorů, jsou k ráfku samostatně přišroubovány čtyřmi šrouby pomocí ocelového plechu. Segment je uvnitř dutý, čímž je pružný, protože se deformuje jednak vlastní materiál segmentu, ale zejména se deformuje štěrbina uvnitř. Není to tedy ani pryžová obruč, ani pneumatika plněná vzduchem. Pokud tedy stroj pracuje ve velmi obtížných podmínkách, kde je přítomnost kameniva s ostrými hranami nebo na obdobném abrazívním povrchu a dojde ke zničení jednoho segmentu, může se tento segment vyměnit samostatně. Předpokladem je, že ostatní segmenty nejsou opotřebeny více, takže nový segment nebude příliš převyšovat. Tyto pneumatiky mají oproti klasickým, vzduchem plněným pneumatikám, vyšší životnost a menší zranitelnost u zmíněných smykem řízených nakladačů.
Co ovlivňuje životnost pneumatiky?
V ekonomii provozu vozidel sehrává důležitou roli i životnost pneumatik, protože jejich cena není zanedbatelná. Například cena radiální pneumatiky NOKIAN 500/60R22,5 pro přívěs stojí 23.095,- Kč, pneumatika stejného výrobce o rozměru 650/55R26,5 stojí 36.720,- Kč. Pneumatika pro nákladní vozidlo značky PIRELLI 295/80R22,5 stojí 13.150 až 14.600,- Kč, záleží na typu dezénu. Široká pneumatika téže firmy 425/65R22,5 stojí již 20.900,- Kč. Ceny pneumatik 12 R 20 se pohybují v rozsahu 4.500 až 14.500,- Kč, záleží na tvaru dezénu, zátěžovém a rychlostním indexu a na výrobci.
Záruka výrobce se týká výrobních vad, ale pouze v ojedinělých případech se lze dozvědět něco o konkrétní životnosti pneumatik. Životnost pneumatik je totiž závislá na velmi proměnných faktorech, z nichž nejvýznamnější jsou:
a) povrch, po kterém se pneumatika převážně odvaluje (kameny, štěrk, asfalt, beton, lesní půda, zemědělská půda)
b) charakter terénu, ve kterém je nejčastěji vozidlo provozováno (stoupání a klesání, zatáčky)
c) vozidlo (zatížení, výkon motoru, způsob přenosu hnací síly, osová geometrie, rychlost jízdy, způsob brždění a pod.)
d) pneumatika (druh konstrukce, profil, boční tuhost, tvar dezénových žeber, hustota dezénu, šířka styčné plochy pneumatiky, radiální tuhost, kaučuková směs, ze které je tvořen běhoun, provedení kordů a pod.)
e) klimatické podmínky (teplota a vlhkost)
f) prostředí, ve kterém je vozidlo garážováno, resp. pneumatiky skladovány (teplo,
chemikálie)
g) způsob jízdy řidiče (zrychlování, brždění, jízda přes překážky a pod.)
h) úroveň péče o pneumatiky řidičem (včasnost úpravy tlaku vzduchu v pneumatice, přetěžování vozidla)
Některé faktory mají vliv na opotřebení dezénu vyšší a jsou ovlivnitelné řidičem (částečně c, f, g, h), některé naopak řidič ovlivnit nemůže. Výrobce vozidel nebo pneumatik může určitou mírou ovlivnit životnost pneumatik také, ale zřejmě jejich podíl nebude tak četný jako u řidiče nebo provozovatele vozidla, ale velmi důležitý faktor d může výrobce pneumatik ovlivnit podstatně.
Například firma MATADOR uvádí předpokládané životnosti v ujetých kilometrech podle druhu použití. Pro oblast dálkové dopravy, kdy je vozidlo provozováno na silnicích s dobrým povrchem, s nízkým počtem ostrých zatáček a převážně při konstantní rychlosti (tzn. dálnice) je předpokládaná životnost kolem 150 000 km. Pro střední a krátké vzdálenosti po cestách regionálního charakteru s větším počtem zatáček a při jízdě s častějším bržděním a zrychlením je předpokládaná životnost v rozmezí 60 000 až 120 000 km. Pro cesty s nezpevněným povrchem, v terénu, na polních a lesních cestách s abrazívním povrchem s vysokým počtem zatáčení, s bočním sklonem vozovek a při častém rozjezdu a brždění je životnost v počtu ujetých kilometrů 25 000 až 45 000 km. Aby bylo této životnosti dosaženo, musí výrobce přizpůsobit konstrukci, směs běhounu a tvar dezénu pneumatiky předpokládaným podmínkám provozu. Na fotografii č.2. je typický dezén pro vozidla dálkové dopravy, na fotografii č.3 je pneumatika pro smíšený provoz. Na této fotografii je patrná zesílená část běhounu v ramenní části pneumatiky.
Faktory ovlivňující oděr pneumatiky
Příčinou oděru dezénu pneumatiky je oděr při valení v závislosti na součiniteli tření. Oděr je způsoben převážně následujícími mechanismy:
1. Trhání v tahu, kdy se odloučí pryžová částice od celku vlivem výstupků podkladu (ostré hrany povrchu, ostré výstupky pevně uchycené v povrchu, ostré předměty volně ležící na povrchu jako jsou kameny, povrch tvořen ostrými předměty, jako jsou štěrkové cesty, polní cesty, příčné stružky a předměty jako jsou například různé obrubníky chodníků, vjezdů do ohraničených prostorů, hrany kanalizačních vpustí, příčné a podélné kořeny na lesních površích a podobně)
2. Únavové selhání, kdy se odloučí pryžová částice od celku vlivem únavy (dochází k němu i na hladších površích po určité době provozu pneumatiky, je závislé na pryži, teplotě povrchu, po kterém se odvaluje a na teplotě pneumatiky)
Struktura povrchu vozovky sehrává při oděru dezénu významnou úlohu. Velikost hodnoty součinitele tření lze změnit, resp. snížit několika způsoby:
a) Konstrukcí povrchu vozovky (běžně udávané hodnoty jsou například: pneumatika na ledě 0,1 – 0,2, na asfaltu 0,5, na dlažbě 0,6 – 0,7, na betonu 0,7 – 0,8)
b) Úpravou povrchu vozovky (například při navlhčení asfaltu se sníží součinitel tření 1,5 až 1,8 krát)
c) Složením směsi běhounu
d) Změnou konstrukce pneumatiky (tuhost celé pneumatiky závisí na provedení a materiálu kostry pneumatiky)
Součinitel tření je závislý na působícím zatížení, je nezávislý na rychlosti skluzu, je nezávislý na nominální kontaktní ploše a je závislý na materiálu stýkajících se ploch a na jakosti jejich povrchu. Při pohybu pneumatiky je na jedné straně tření důležité, protože bez tření by nebyl možný rozjezd, brždění a vedení vozidla v požadovaném směru. Na druhé straně je tření dezénu o povrch vozovky negativní v tom, že se pryž běhounu obrušuje a výška žeber dezénu se snižuje.
Na pneumatiku působí síly, které musí pneumatika překonávat. Vzhledem k tomu, že pneumatika zprostředkovává pružný styk podvozku vozidla s povrchem vozovky, musí být v oblasti styku s podložkou deformovatelná. Síly, které musí pneumatika překonávat, jsou převážně vyvolány deformací v oblasti styčné plochy. Tomuto jevu se říká „flat spotting“, což je krátkodobé zploštění oblasti styčné plochy pneumatiky s podložkou. V zadní části překonávají elastické síly vznikající deformací adhezi, povrch pneumatiky se horizontálně vrací do původní polohy a smýká se po povrchu podložky (vozovky). Oděr dezénu je tedy poněkud vyšší v zadní části styčné plochy. Zmíněný jev je patrný z obrázku č.1, kde je na horní části výřez profilu pneumatiky, u které není celý profil v dotyku s podložkou a na spodní části je pneumatika nesoucí zátěž, u níž je celý profil v dotyku s podložkou. Podmínky při zrychlení nebo brždění vyvolají deformaci a skluz na obvodu pneumatiky.
Lze tedy říci, že mezi nejdůležitější síly, které způsobují oděr dezénu pneumatiky, patří síla hnací (prokluz při rozjezdu, resp. při zrychlení), brzdná síla (skluz při brždění, kdy kolo blokuje, ale i při běžném brždění) a odstředivá síla (vznikající při průjezdu zatáčkou, kdy dochází k deformaci pneumatiky a k částečnému bočnímu skluzu). Zmíněné síly nepůsobí izolovaně, ale převážně působí současně. Výskyt zrychlení příčných je při jízdě vozidla vyšší, než zrychlení podélných (při běžném provozu).
Z hlediska konstrukce pneumatik lze říci, že radiální pneumatiky vykazují nižší úroveň působících sil, proto je oděr dezénu nižší než u pneumatiky diagonální. Je to dáno přítomností pevného nárazníkového pásu. Nárazníkový pás totiž zvyšuje tuhost pneumatiky v oblasti běhounu, čímž se omezuje rozsah i rychlost bočního zpětného klouzání elementů běhounu. Běhoun radiální pneumatiky setrvává v plochém stavu i mimo dotykovou plochu oproti pneumatice diagonální, jejíž běhoun má tendenci setrvávat ve vypouklém stavu, což je patrné z obrázku č.1.
Pneumatika může v důsledku svých elastických vlastností vykazovat optimální oděr pouze za určité kombinace tlaku vzduchu v pneumatice a jejího zatížení. Je-li tlak vzduchu zvýšen nad tuto hodnotu, je zátěž nesena především středem běhounu. V této oblasti potom nastává maximální oděr. Analogicky při nízkém tlaku se oblast maximálního namáhání posouvá k ramenům pneumatiky. Také může nastat to, že při tlaku vzduchu vyšším, než odpovídá nosnosti a při nižší hmotnosti nákladu, je namáhána střední část běhounu. Popsaný jev je patrný z otisku pneumatiky BARUM 12,5-18 s dezénem ZS4 na obrázku č.2. V katalozích příslušných pneumatik jsou uvedeny pro každou pneumatiku tabulky nosnosti v závislosti na tlaku vzduchu v pneumatice. Pneumatika BARUM 12,5-18 disponuje podle katalogu nosností naspříklad 1400 kg při tlaku vzduchu 200 kPa. V horní části obrázku č.2 je otisk pneumatiky s tlakem vzduchu 220 kPa a při svisle působící síle 14,7 kN. Na spodní části obrázku je otisk téže pneumatiky se stejnou hodnotou svisle působící tíhy (hmotnost nákladu působící na kolo je 1500 kg), ale s tlakem vzduchu 450 kPa (tzv. „přehuštěná“). Je tedy dobře patrné, že pro optimální opotřebení dezénu pneumatiky by měl být tlak vzduchu v pneumatice přizpůsoben hmotnosti nákladu a naopak.
Při sledování životnosti pneumatik z hlediska opotřebení dezénu se můžeme setkat s jevem, že úbytek dezénu pneumatiky je zpočátku poměrně velký a s prodlužující se životností pneumatiky se rychleji nebo pomaleji blíží určité mezní hodnotě. Rychlost úbytku hloubky dezénu ud pneumatiky lze popsat následujícím vztahem:
h0 - h
ud = ----------- (mm)
l - l0
kde:
h0 - hloubka profilu dezénu při ujeté dráze l0 (mm)
h - hloubka profilu dezénu při ujeté dráze l (mm)
Uvedený vztah nám říká sice, že se zvyšující se hodnotou ujeté dráhy se zvyšuje opotřebení dezénu pneumatiky, resp. rychlost úbytku dezénu je závislá na ujeté dráze, ale kolik kilometrů můžeme ve skutečnosti s danou pneumatikou se dopředu nedozvíme.
Jak prodloužit životnost pneumatiky?
Závěrem lze uvést některé zásady správného používání pneumatik u dopravní zemědělské a lesnické techniky, aby byla jejich životnost co nejdelší. Podstatou tohoto problému je správné posouzení podmínek provozu a určení kompromisu z hlediska tuhosti běhounu a kostry pneumatiky, běhounové směsi, charakteru dezénu pneumatiky tak, aby se co nejvíce přiblížila podmínkám, ve kterých bude dopravní technika nejčastěji používána. I podvozek techniky je určen pro nějaké konkrétní převažující podmínky provozu, proto by i výrobci dopravní techniky měli montovat pneumatiky v souladu s doporučením výrobců pneumatik. Občas se však stává, že na přívěsech a návěsech jsou používány zbytečně pneumatiky složité konstrukce, které jsou dražší o významnou finanční částku. U dopravní techniky, která je používána do rychlosti 40 km.h-1 není nutné sledovat to, co se převážně sleduje u pneumatik pro osobní automobily. U pneumatik osobních automobilů je veden boj o zákazníka různými typy dezénů, jimiž je sledována především bezpečnost na mokré vozovce (nejčastěji zaplavené vrstvou vody), nízká úroveň hluku, který je vyvolán stlačováním vzduchu mezi žebry dezénu a také tvarem dezénových žeber (jednotlivých segmentů), krátká brzdná dráha na mokré vozovce a vysoký kilometrový výkon. Také výška žeber, jejich tvar, podélné nebo příčné drážky, počet drážek dezénu není příliš rozhodující u pneumatik určených na nehnané nápravy. Postačí jednoduchý dezén s několika mělkými drážkami, který je na fotu 4. Vzhledem k podmínkám provozu v lese nebo na zemědělské půdě bude ale rozhodující šířka pneumatik a konstrukce pneumatiky pro nízký tlak vzduchu v pneumatikách.
Do rámečku
Některé nejdůležitější zásady provozování pneumatik:
1. Dodržovat správný tlak vzduchu (doporučený) v pneumatice v závislosti na hmotnosti a rozmístění nákladu na přívěsu a návěsu a na rychlosti jízdy.
2. Při koupi pneumatiky sledovat její předpokládané použití. Zbytečně neinvestovat do speciální pneumatiky, jejíž přednosti nebudou v provozu využity.
3. Dopravní techniku provozovat v podmínkách, pro které je určena. To znamená, nemontovat pneumatiky určené pro dálkový provoz na hladkých komunikacích, na přívěs, který bude provozován na nezpevněných polních cestách.
4. Nejezdit přes překážky, kterými může být dezén roztržen, propíchnut nebo seříznut.
5. Nedopustit řidičem, aby byla pneumatika při brždění zablokována (způsob jízdy, seřízení brzd).
6. Neprovozovat techniku na podhuštěných a na přehuštěných pneumatikách.
7. Při skladování pneumatik a dopravní techniky dbát na čistotu prostředí a nepřítomnost chemikálií a agresivních látek
Konec rámečku
Ing. Ivo Celjak
KZT, JČU
Č.Budějovice
