Uszkodzeń opony ciężarowej
Metodyka badań, charakterystyka uszkodzeń opony samochodu ciężarowego (część 1)
Gwałtowna dekompresja
Abstrakt: Wzrost zakresu bezpieczeństwa czynnego i biernego w pojazdach samochodowych wpływa na konstrukcję i parametry ruchu samochodu. Szczególnie odpowiedzialnym elementem w pojeździe jest opona przenosząca siły i momenty na nawierzchnie drogi. Jej konstrukcja, rodzaj mieszanki i warunki eksploatacji determinują bezpieczeństwo poruszania się pojazdu. Biorąc pod uwagę kierowalność i stateczność ruchu, opona poddawana jest obciążeniom dynamicznym, cieplnym, zużyciu eksploatacyjnemu i uszkodzeniom losowym. Wpływa to negatywnie na połączenia warstw kompozytu. Gwałtowny ubytek ciśnienia w oponie może prowadzić do groźnych wypadków, szczególnie podczas ruchu z dużymi prędkościami. Uszkodzenie dekompresyjne opony na osi kierowalnej najczęściej skutkuje zmianą trajektorii ruchu i może prowadzić do przewrócenia się samochodu. Celem artykułu jest szczegółowe opisanie procesu propagacji uszkodzeń zachodzących w oponie samochodu ciężarowego. Przedstawiona metodyka badań pozwala ocenić czy zaistniałe uszkodzenie opony jest wynikiem „wybuchu” opony, czy też nastąpiła inna, nienormatywna utrata powietrza w oponie podczas jazdy.
Wstęp
Współczynnik przyczepności jest zależny od wielu zmiennych, do których należą między innymi: stan i rodzaj nawierzchni, warunki środowiskowe, typ/rodzaj opon i poziom ich zużycia, stan i rodzaj zawieszenia, położenie geograficzne jezdni, warunki zabudowy okolicy oraz występującej infrastruktury. Dodatkowo wartość ciśnienia jak i nierówności terenu mają wpływ na temperaturę i deformację opony oraz zawieszenie pojazdu. Zmienność wymienionych parametrów wpływa bezpośrednio na kinematykę ruchu pojazdu. Ma to szczególne znaczenie w warunkach zimowych.
Stan i jakość opon warunkuje zakres bezpieczeństwa ruchu pojazdu. Dlatego prowadzone są badania laboratoryjne i drogowe cech współpracy opony z nawierzchnią. Dodatkowo ocenia się przyczyny i skutki zdarzeń drogowych wynikających z eksploatacji i uszkodzeń opon. Najbardziej nieprzewidywalne w skutkach są zdarzenia nagłe, związane z gwałtownym spadkiem ciśnienia w oponach czy gwałtowną dekompresją opony. Prowadzone są testy symulacyjne Tire Blowout związane z zapewnieniem kierowalności i stateczności ruchu pojazdu podczas szybkiej utraty ciśnienia w oponach. Praca wskazała, że kierowca w chwili pojawienia się zagrożenia reaguje nieprawidłowo, gwałtownie skręcając kierownicą. Jest to manewr obronny przed utratą prawidłowego kierunku ruchu samochodu.
Zagadnienia poruszane w źródłach literaturowych odnoszą się do badań laboratoryjnych, drogowych i symulacyjnych związanych z odpowiedzią układu na zaistniałe zdarzenie i ukierunkowane są na analizę wpływu skutków uszkodzeń opon na bezpieczeństwo ruchu pojazdów. Prace związane z oględzinami opon nastawione są na eliminację zagrożenia. Brakuje jednakże analiz związanych z rozwojem - propagacją uszkodzeń podczas eksploatacji opon, których skutkiem jest gwałtowna dekompresja.
Przyczyną wystąpienia gwałtowanej dekompresji opony jest powstanie uszkodzenia pierwotnego i długi czas eksploatacji uszkodzonej opony. Na podstawie cech geometrycznych uszkodzeń struktury materiału, identyfikacji miejsca rozerwania można ocenić czy zaistniałe uszkodzenie opony jest wynikiem procesu dekompresyjnego, czy też nastąpiła inna, nienormatywna utrata powietrza w oponie.
Celem artykułu jest przedstawienie mechanizmów procesu propagacji uszkodzeń od uszkodzenia pierwotnego do gwałtownej dekompresji na przykładzie rzeczywistego wypadku drogowego, którego przyczyną była gwałtowna dekompresja opony samochodu ciężarowego.
Metodyka rozpoznania eksplozji dekompresyjnej opony
Rozpoznanie przyczyn rozerwania opony wymaga przeprowadzenia starannych, metodycznych oględzin i wykonania badań mechanoskopijnych. W tym celu należy:
1. Przeprowadzić analizę śladów występujących na oponie poprzez:
• określenie uszkodzonych miejsc,
• przypisanie geometryczne miejsc uszkodzeń pierwotnych, eksploatacyjnych oraz uszkodzeń od eksplozji dekompresyjnej.
2. Dokonać obserwacji krawędzi rozdzieleń celem rozpoznania charakterystycznych cech uszkodzeń powstałych pierwotnie oraz z powodu rozerwania.
3. Określić cechy charakterystyczne uszkodzonych drutów osnowy przy użyciu aparatury optycznej, np. mikroskopu.
Rozerwanie nosi cechy uszkodzenia o charakterze eksplozyjnym, gdy:
• brzegi rozerwanych fragmentów gumy są nieregularne,
• nastąpiło rozwarstwienie gumy względem linek kordu,
• druty osnowy są pokryte gumą,
• krawędzie rozerwanych drutów są wyciągnięte, a ich przełom ma kształt zagłębionego lejka w przekroju przypominający literę „V” lub literę „U”.
Przykład z życia - charakterystyka uszkodzeń w skrócie
Analizując uszkodzenia opony przeprowadzono szczegółowe oględziny miejsc uszkodzeń (fot. 1-9). Na oponie znajduje się szereg uszkodzeń, przelotowe rozerwanie pionowe - promieniowe boku opony wzdłuż nitek osnowy. Rozerwanie przebiega od barku wzdłuż nitek osnowy dalej, wzdłuż obwodu, przechodząc w rozerwanie promieniowe wzdłuż nitek osnowy w kierunku stopki. Patrząc w kierunku zgodnym ze wskazówkami zegara (od promieniowego rozerwania boku), występują dwa głębokie „wyrwania” materiału gumy do warstw nitek osnowy. Uszkodzenia mają charakter mechaniczny. W odległości około 700 mm od pęknięcia promieniowego znajduje się drugie pęknięcie promieniowe przelotowe, biegnące od środka boku opony do barku. Guma barków opony
w tym rejonie jest porozrywana/postrzępiona w kształcie zębów piły. Na długości około 1600 mm bieżnik wraz z częścią warstw opasania jest odseparowany. Elementy opasania są rozwarstwione i oderwane skośnie wzdłuż nitek splotów opasania w postaci pasków. Element bieżnika został miejscami odseparowany z dwoma warstwami opasania. Trzecia warstwa opasania pozostała na osnowie. Na powierzchni odseparowanych elementów, widoczne są na powierzchniach opasania ślady tarcia świadczące o wcześniejszej separacji pomiędzy tymi warstwami. Ślady na tych powierzchniach są zbieżne z podobnymi śladami na karkasie.
1. Ogólny widok koła, strona zewnętrzna
2. Rozerwanie promieniowe boku opony wzdłuż nitek osnowy
3. Rozerwanie w czole opony
4. Rozerwanie promieniowe drugiego boku opony
5. Widoczny zakres odwarstwionego bieżnika z opasaniami
6. Widok separacji i uszkodzeń czoła
7. Widok uszkodzeń boku zewnętrznego
8. Ślady separacji na barku opony
9. Widoczne ślady tarcia na powierzchni odseparowanej
10. Ślad separacji oraz uderzenia
W II Częsci artykułu przedstawiony zostanie opis propagacji uszkodzeń, analiza sił oddziałujących na oderwany bieżnik opony oraz spis literatury, a w III Części artykułu: badania mechanoskopijne, analiza wyników i podsumowanie. /Artykuł został podzielony na części ze względu na obszerny materiał badawczy.
Autorzy: Konrad J. Waluś, Jerzy Warszczyński
Fot.: Autorzy
Przegląd Oponiarski 3/231 (Marzec 2025)
Spis literatury
1. Haudum, M., Edelmann, J., Plöchl, M., and Höll, M., “Vehicle Side-Slip Angle Estimation on a Banked and Low-Friction Road,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D Journal of Automobile Engineering 232(2018): 1584, doi:10.1177/0954407017732852.
2. Calvo, J.A., López-Boada, B., San Román, J.L., and Gauchía, A., “Influence of a Shock Absorber Model on Vehicle Dynamic Simulation,” Journal of Automobile Engineering 223, no. D2 (2009): 189-202.
3. Chen, C., Jia, Y., Wang, Y., and Shu, M., “Non-Linear Velocity Observer for Vehicles with Tyre-Road Friction Estimation,” International Journal of Systems Science 49(2018): 1403, doi:10.1080/00207721.2018.1454533.
4. Paul, D., Velenis, E., Humbert, F., Cao, D. et al., “Tyre-Road Friction μ-Estimation Based on Braking Force Distribution,” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D Journal of Automobile Engineering 233 (2019): 2030, doi:10.1177/0954407018765277.
5. Sharifzadeh, M., Timpone, F., Senatore, A., Farnam, A. et al., “Real Time Tyre Forces Estimation for Advanced Vehicle Control,” International Journal of Mechanics and Control 18, no. 2 (2017): 77-83.
6. Takahashi, N., Nishiyama, N., and Tokunaga, R.A., “A Method for Predicting Road Surface Temperature Distribution Using Pasquill Stability Classes,” in Standing International Road Weather Commission, 15th Conference, Quebec, Canada, 2010.
7. Lin, T.Y.-J. and Hwang, S.-J., “Temperature Prediction of Rolling Tires by Computer Simulation,” Mathematics and Computers in Simulation 67 (2004): 235-249.
8. Marais, J. and Venter, G., “Numerical Modelling of the Temperature Distribution in the Cross-Section of an Earthmover Tyre,” Applied Mathematical Modelling 57(2018): 360-375, doi:https://doi.org/10.1016/j.apm.2018.01.018.
9. Martini, A., Bonelii, G.P., and Rivola, A., “Virtual Testing of Counterbalance Forklift Trucks: Implementation and Experimental Validation of a Numerical Multibody Model,”Machines 8, no. 2 (2020): 26, doi:10.3390/machines8020026.
10. Polasik, J., Waluś, K.J., and Warguła, Ł., “Experimental Studies of the Size Contact Area of a Summer Tire as a Function of Pressure and the Load,” Procedia Engineering 177 (2017): 347-351, doi:10.1016/j.proeng.2017.02.203.
11. Jakub, P. and Waluś Konrad, J., “Analysis of the Force during Overcoming the Roadblock—The Preliminary Experimental Test,” Transport Problems 11, no. 1 (2016): 113-120, doi:10.20858/tp.2016.11.1.11.
12. Prochowski, L., Kochanek, H., Gidlewski, M., and Pusty, T., “Analysis of the Seasonal and Regional Variations in the Accident Hazard in Poland,” Urban Transport 176 (2017): 441-452, doi:10.2495/UT170381.
13. Wach, W., “Calculation Reliability in Vehicle Accident Reconstruction,” Forensic Science International 263 (2016): 27-38, doi:10.1016/j.forsciint.2016.03.038.
14. Wach, W. and Prochowski, L., “Analysis of a Special Purpose Vehicle’s Behaviour after an Edge Drop-Off onto a Soft Shoulder,” International Journal of Automotive Technology 18, no. 1 (2017): 55-67, doi:10.1007/s12239-017-0006-8.
15. Eddie, R., “Ice, ABS, and Temperature,” SAE Technical Paper 940726, 1994, https://doi.org/10.4271/940724.
16. Martin, D. and Schaefer, G., “Tire-Road Friction in Winter Conditions for Accident Reconstruction,” SAE Technical Paper 960657, 1996, https://doi.org/10.4271/960657.
17. Navin, F., Macnabb, M., and Nicolletti, C., “Vehicle Traction Experiments on Snow and Ice,” SAE Technical Paper 960652, 1996, https://doi.org/10.4271/960652.
18. Senatore A. and Sharifzadeh M., “Estimation of Tyre-Road Friction during ABS Braking for Snow and Ice Conditions,” in 6° Workshop dell’Associazione Italiana di Tribologia AIT, Torino, Italy, September 18-19, 2018.
19. Waluś, K.J. and Olszewski, Z., “Analysis of Tire-Road Contact under Winter Conditions,” Lecture Notes in Engineering and Computer Science, Volume 2192, Proceedings World Congress on Engineering 2011, Volume III, London, UK, July 6-8, 2011, 2381-2384, ISBN:978-988-192515-2.
20. Cai, Y., Zang, M., and Duan, E., “Modeling and Simulation of Vehicle Responses to Tire Blowout,” Tire Science and Technology 43, no. 3 (2015): 242-258.
21. Wang, Y.L. and Guo, K.H., “Analysis of Vehicle’s Kinetic Characteristic after Tire Blow-Out,” Advanced Materials Research 455-456 (2012): 1115-1121, doi:10.4028/scientific5/AMR.455-456.1115.
22. Yang, L., Yue, M., Wang, J., and Hou, W., “RMPC-Based Directional Stability Control for Electric Vehicles Subject to Tire Blowout on Curved Expressway,” J. Dyn. Sys., Meas., Control. 141, no. 4 (2019): 041009, doi:https://doi.org/10.1115/1.4042029.
23. Lu, Y., Yue, M., Tian, H., and Yao, B., “Tire Blow-Out Control for Direct Drive Electric Vehicles Using Reconfiguration of Torque Distribution and Vertical Load,” Transactions of the Institute of Measurement and Control 42, no. 8 (2020): 1547-1558, doi:https://doi.org/10.1177/0142331219892114.
24. Li, A., Chen, Y., Du, X., and Lin, W., “Enhanced Tire Blowout Modeling Using Vertical Load Redistribution and Self-Alignment Torque,” in Proceedings of the ASME 2019 Dynamic Systems and Control Conference. Volume 2: Modeling and Control of Engine and Aftertreatment Systems; Modeling and Control of IC Engines and Aftertreatment Systems; Modeling and Validation; Motion Planning and Tracking Control; Multi-Agent and Networked Systems; Renewable and Smart Energy Systems; Thermal Energy Systems; Uncertain Systems and Robustness; Unmanned Ground and Aerial Vehicles; Vehicle Dynamics and Stability; Vibrations: Modeling, Analysis, and Control, Park City, UT, October 8-11, 2019, V002T26A001, ASME, doi:https://doi. org/10.1115/DSCC2019-8997.
25. Li, A., Chen, Y., Lin, W., and Du, X., “Shared Steering Control of Tire Blowout for Ground Vehicles,” in 2020 American Control Conference (ACC), Denver, CO, 2020, 4862-4867, doi:10.23919/ACC45564.2020.9147390.
26. Yang, L., Yue, M., Zhang, H., and Xu, G., “Toward Hazard Reduction of Road Vehicle after Tire Blowout: A Driver Steering Assist Control Strategy,” in 2019 Chinese Control Conference (CCC), Guangzhou, China, 2019, 6600-6605, doi:10.23919/ChiCC.2019.8865137.
27. Lu, S., Lian, M., Cao, Z., Zheng, T. et al., “Active Rectifying Control of Vehicle with Tire Blowout Based on Adaptive Fuzzy Proportional-Integral-Derivative Control,” Advances in Mechanical Engineering 11, no. 3 (2019): 1-13, doi:https://doi.org/10.1177/1687814019835108.
28. Yang, L., Yue, M., Liu, Y., and Guo, L., “RBFNN Based Terminal Sliding Mode Adaptive Control for Electric Ground Vehicles after Tire Blowout on Expressway,” Applied Soft Computing 92 (2020): 106304, doi:https://doi.org/10.1016/j.asoc.2020.106304.
29. Anindya, C., Cusumano Joseph, P., and Zolock John, D., “On Contact-Induced Standing Waves in Rotating Tires: Experiment and Theory,” Journal of Sound and Vibration 227, no. 5 (1999): 1049-1081.
30. Dudziak, M., Lewandowski, A., and Waluś K. J., “Static Tests the Stiffness of Car Tires,” IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 776 (2020): 012071-1-012071-8, doi:10.1088/1757-899X/776/1/012071.
31. Luty, W., “Wyznaczanie parametrów modelu nadbiegania ogumienia na podstawie wyników badań eksperymentalnych,” Postępy Nauki i Techniki 14 (2012): 135-147.
32. Taylor, R.K., Bashford, L.L., and Schrock, M.D., “Methods for Measuring Vertical Tire Stiffness,” Transactions of the ASAE 43, no. 6 (2000): 1415-1419.
33. Krmela, J., Beneš, L., and Krmelová, V., “Statistical Experiments of Tire as Complex Long-Fibre Composite for Obtaining Material Parameters and Deformation Characteristics,” Materials Engineering - Materiálovéinžinierstvo 19 (2012): 124-135.
34. Bris, S.S., Ungureanu, N., Maican, E., Murad, E. et al., “FEM Model to Study the Influence of Tire Pressure on Agricultural Tractor Wheel Deformations,” International Scientific Conference: Engineering for Rural Development 10(2011): 223-228.
35. Kuric, I., Klarák, J., Sága, M., Císar, M. et al., “Analysis of the Possibilities of Tire-Defect Inspection Based on Unsupervised Learning and Deep Learning,” Sensors 21 (2021): 7073, doi:https://doi.org/10.3390/s21217073.
