Tlak vzduchu v pneumatikách

Zemědělská technika je stále častěji používána na velkých farmách a v podnicích služeb, kde je sledována vysoká výkonnost přepravy. Vysoké výkonnosti je dosaženo mimo jiné zejména tím, že je převážen vysoký objem, resp. vysoká hmotnost nákladu. Důležitým činitelem působícím na půdu, je střední kontaktní tlak pod kolem, který je závislý na tíhové síle a na ploše, na které tíhová síla působí. Z uvedeného plyne, že zde hraje rozhodující roli zejména šířka použitých pneumatik, tlak vzduchu v pneumatice a konstrukce pneumatiky.

Jedním z činitelů, které se podílí na nákladech přepravy je výkon ztracený při překonání valivého odporu. Zde hraje určitou roli tlak vzduchu v pneumatikách, tíha a rychlost jízdy dopravního prostředku.
Aby byla dána odpověď, do jaké míry ovlivní tlak vzduchu v pneumatice velikost odporu valení, bylo provedeno na Jihočeské univerzitě v Českých Budějovicích, katedře zemědělské techniky, měření valivého odporu různých konstrukcí pneumatik s různým tlakem vzduchu v těchto pneumatikách.
Porovnávány byly pneumatiky běžné šířky diagonální konstrukce (Barum 12,5-18) a pneumatiky široké radiální konstrukce (Trelleborg 600/50-22,5. Síla k překonání odporu valení byla měřena na různých površích a s různým tlakem vzduchu v pneumatikách (vyšším a nízkým tlakem).

Tlak vzduchu v pneumatice je konstrukční veličina stanovená výrobcem pneumatiky. Přesným dodržením se zajistí u pneumatiky:
 vysoká životnost
 velká tažná síla při malém prokluzu
 co největší šetření půdy
 příznivé odvalování kola (bez vibrací a odskakování)

Tlak vzduchu v pneumatice je závislý na:
 rozměrech pneumatiky
 zatížení pneumatiky
 maximální rychlosti
 na velikosti styčné plochy s půdou

Rozměr pneumatiky určuje výrobce traktorů a zemědělského nářadí. Pro daný rozměr pneumatiky je potřebný tlak závislý na:
 maximálním zatížení
 maximální rychlosti jízdy

Všechny tlaky vzduchu udávané v katalozích pneumatik platí pro studenou pneumatiku, tedy po několika hodinách ve stavu klidu na volném prostranství bez silného slunečního svitu.

Pro každou pneumatiku je přiřazeno zatížení v závislosti na hustícím tlaku v technických podmínkách pro používání pneumatik.
Tlak vzduchu v pneumatice je přizpůsoben zatížení tak, aby deformace pneumatiky byla v rozmezí, při kterém splňuje všechny provozní požadavky, zejména co se týče záběru a životnosti. Tlak vzduchu má vliv na pohlcování rázů od vozovky, na bezpečnost provozu, na životnost pneumatiky a na schopnosti nést zatížení.

Negativní projevy nízkého tlaku vzduchu:
 nerovnoměrné opotřebení dezénu
 snížení poloměru otáčení
 zmenšení odolnosti bočnic pneumatiky proti poškození řezem
 zlom kostry v místech nadměrně přetěžovaných ohybem
 pneumatika sedí jen volně na ráfku, ventil může být vytržen ze zakotvení.

Při vysokém tlaku vzduchu je střed běhounu více vypouklý než ramenní partie (zeujména u diagonálních pneumatik). Tažná síla se sníží, protože se zmenší styčná plocha. Pneumatika často prokluzuje. Velký prokluz znamená dále nadměrnou spotřebu paliva a ničení struktury půdy, resp. porostu.
Pro zvýšení tahové síly traktoru jsou rozhodující především tyto faktory: velikost styčné plochy, hustící tlak, velikost a konstrukce pneumatik, zatížení hnací nápravy, výška dezénových figur, druh půdy a pod.
Zvětšení tahové síly je možné zajistit zvětšením styčné plochy pneumatiky s půdou použitím nižšího hustícího tlaku. V důsledku provedené korekce dochází ke zploštění pneumatiky, přičemž se do záběru dostává více záběrových figur. Minimální huštění pneumatik musí být voleno tak, aby nedocházelo k nadměrným deformacím kordové kostry v oblasti bočnice.
Pokud se odvaluje pneumatika po tuhém podloží, lze předpokládat, že dochází pouze k deformování pneumatiky.

Velikost valivého odporu je v tomto případě závislá na:

 rychlosti pohybu (dochází ke vzniku stojatého vlnění na obvodu pneumatiky při vysokých rychlostech),
 tlaku vzduchu v pneumatice,
 poloměru pneumatiky,
 na vlastnostech směsi horní části běhounu a spodních vrstev běhounu (vnitřní hysterezní ztráty třením materiálu při deformaci pneumatiky),
 na směsi nárazníkové vrstvy (v jaké míře je schopna absorbovat energii, resp. na její pružnosti),
 na provedení dezénu běhounu (některé běhouny mají větší schopnost tzv. „přisávání běhounu k vozovce),
 na provedení kostry, zda je provedení Steel (pneumatiky „G“ s celoocelovou vrstvou) nebo pouze s polyamidovou kostrou (označení Chemlon, Nylon), resp. s kombinovanou kostrou (Nylon/Steel),
 zda je nárazníková vrstva ocelokordová (Steel Belt)
 na zatížení pneumatiky,
 na schopnosti odvádět vzniklé teplo do okolí,
 na tření v ložiskách kola
 na aerodynamickém odporu pneumatiky (pro vysoké rychlosti)

Vliv těchto základních parametrů lze hodnotit následovně:

* při zvyšující se rychlosti pohybu dochází k určitému vydouvání přední části pneumatiky, čímž se zvětšuje součinitel valivého odporu
* čím je huštění pneumatiky vyšší, tím se zmenšuje její deformace a součinitel valivého odporu se tedy snižuje
 při zvyšujícím se zatížení kola se součinitel odporu valení mírně zvyšuje v důsledku změn zakřivení pneumatiky v oblasti styčné plochy. Toto zvýšení je výraznější při nižších hodnotách tlaku vzduchu v pneumatice.
 speciální směs, která je schopna redukovat zahřívání pneumatiky a absorbovat energii, snižuje odpor valení
 čím je dezén hladší, tím je odpor valení nižší
 pneumatika provedení steel radial má odpor valení nižší než pneumatika provedení cross-ply (diagonální), protože se méně deformuje v oblasti běhounu a kostra pneumatiky je pevnější,
 hysterézní ztráty tvoří největší část odporu valení (tzv. vnitřní odpor valení), protože vznikají v pryžovém a kordovém materiálu jako důsledek nehomogenity pneumatiky. Deformace pneumatiky vyvolávají tření mezi jednotlivými vrstvami kordu, mezi jednotlivými částmi pneumatiky, jako je kostra, nárazník, běhoun, bočnice a oblast patky. Velikost hysterézních ztrát je závislá na velikosti deformace pneumatiky a na objemu, který podléhá deformaci,
 ztráty třením a přisáváním jsou vyšší v důsledku vyšších obvodových deformací u diagonálních pneumatik. Tření v dotykové ploše pneumatiky s vozovkou je závislé na typu dezénu a na hladkosti povrchu, po kterém se pneumatika odvaluje. Ke větším ztrátám vlivem přisávání dochází u takového dezénu, který tvoří uzavřené prostory. Takový dezén je nevhodný i z hlediska namáhání běhounu, opotřebení a zvýšeného hluku,
 stojaté vlnění na obvodu pneumatiky vzniká při vyšších rychlostech, kdy při valení pneumatiky se radiálně i příčně deformovaná část obvodu vrací do původního tvaru. Děj probíhá v konečném časovém úseku a vzhledem k vlastní hmotnosti přeběhne tato část rovnovážnou polohu, do které se vrací v důsledku tlumení až po několika kmitech. Probíhá-li tento děj s frekvencí vyšší, než je frekvence otáčení, stačí se stojaté vlnění během otáčky před dalším dotykem s vozovkou utlumit. Vliv stojatého vlnění na odpor valení je více patrný u radiálních pneumatik než u diagonálních,
 s rostoucí teplotou klesá hystereze materiálu pneumatiky a tím klesá i odpor valení.

Podle údajů firmy Pirelli stoupá hodnota valivého odporu více u diagonální pneumatiky než u radiální pneumatiky, přičemž přibližně do rychlosti 50 km.h-1 má nejprve klesající tendenci (z nulové rychlosti pohybu), potom poměrně rychle s rostoucí rychlostí stoupá. Z grafů firmy Pirelli je patrné, že i valivý odpor má svoji optimální hodnotu vzhledem k rychlosti pohybu.
Pokud se odvaluje pneumatika po plastickém podloží, dochází kromě deformování pneumatiky také k deformaci podloží. Deformace jsou tím vyšší, čím vyšší je rychlost odvalování a čím nerovnější a plastičtější je povrch, po kterém se pneumatika odvaluje.
Kostra pneumatiky je tvořena několika vrstvami opryžovaného tkaniva nebo kovovým tkanivem. Při kladení vláken křížem přes sebe jde o pneumatiky diagonální (Obr. 1.), při kladení vláken kolmo k obvodu jsou to pneumatiky radiální (Obr. 2.).
U diagonálních srovnatelných pneumatik je počet kordových vložek větší než u radiálních. Kostra diagonálních pneumatik se skládá z pogumovaných kordových vláken, které se diagonálně kříží pod úhlem 30-40°. Vlákna jsou vyrobena z nylonu, chemlonu, rayonu a pod. V oblasti pod běhounem mohou být i ocelová vlákna (steel cord). Textilní i ocelová vlákna jsou napuštěna speciální směsí pryže a to v různých částech konstrukce pneumatiky různou směsí (nárazníková vrstva, ramena, bočnice, oblast patky).
U radiálních pneumatik kordové nitě kostry probíhají pod úhlem 90° ke střední linii, tj. od patky k patce. Obvodovou tuhost pneumatiky zajišťuje nárazníkový pás.
Předností diagonálních pneumatik je tuhá bočnice, odolná proti poškození v kamenitém terénu nebo jinak složitém terénu (lesní půdy). Předností radiálních pneumatik je větší kontaktní plocha, větší záběrová síla, stabilizace dezénové figury nárazníkovým pásem, nízký valivý odpor, umožňuje vyšší rychlost jízdy, poskytují lepší tlumení vibrací od podložky než diagonální pneumatiky.
O tom, že tlak vzduchu má význam svědčí i zpráva od firmy NOKIAN, která v blízké době zavede na trh systém „Bluetooth“. Každá pneumatika nákladního a dodávkového automobilu (později osobního) bude vybavena měřícím čipem, který zachytí změny tlaku a teploty v pneumatice a tyto informace předá na mobilní telefon, který podporuje používání interface systému.
Podle internetových stránek firmy Pirelli je valivý odpor u diagonální pneumatiky přibližně o 18% vyšší než u radiální pneumatiky s ocelovým nárazníkem. Nová konstrukce pneumatiky (New Energy) má o 50% nižší valivý odpor než diagonální pneumatika.
Z naměřených hodnot součinitele odporu valení lze vypočítat výkon ztracený překonáním odporu valení. Pokud je znám údaj o hmotnosti přívěsu a nákladu, lze vypočítat tíhovou sílu v ose kola, působící kolmo na podložku. Samozřejmě, že je nutné také zavést předpoklad, že náklad je rovnoměrně rozmístěn na korbě přívěsu a pro dopravní úkol je zvolena rychlost jízdy na poli, louce a kamenivu například 5 km.h-1 a na asfaltové cestě, strništi a na polní cestě je 25 km.h-1. Hmotnost přívěsu je 1950 kg a hmotnost nákladu je 5000 kg.

Z uvedených tabulek lze zjistit, že velikost hodnoty tlaku vzduchu v pneumatikách při uvedené svisle působící síle nemá příliš velký význam, protože rozdíly mezi pneumatikami s tlakem vzduchu 80 kPa a 220 kPa jsou minimální. Rozdíly budou vyšší při vyšší hodnotě svisle působící síly. Za zmínku stojí odevzdaný výkon pro úhradu odporu valení u pneumatiky Trelleborg na strništi při obou tlacích. Zde je potřebný výkon na překonání odporu valení o 7,5, resp. 8,1 kW vyšší než u pneumatiky Barum. Z tabulky je patrné, že ztráty výkonu na strništi jsou dosti vysoké. Je to dáno předpokládanou rychlostí 25 km.h-1, což neodpovídá skutečnosti, protože by rychlost jízdy byla nižší.
Význam tlaku vzduchu v pneumatikách vzroste tehdy, bude-li přívěs nebo návěs provozován s velkým proběhem hodin. Zde se projeví náklady na pohonné hmoty nezanedbatelnou měrou.
Pokud přihlédneme k výše uvedené problematice tlaku vzduchu v pneumatice, přesvědčí nás o tom, že správný tlak vzduchu ve správně použitých pneumatikách nám může ušetřit nemalé finanční prostředky.
Ing. Ivo Celjak
KZT, JČU
Č.Budějovice