Как меняется давление в шинах при изменении температуры
Проведено исследование изменения давления в шине легкового автомобиля ВАЗ при изменении температурного режима окружающей среды. Анализ результатов свидетельствует о больших колебаниях давления в шинах автомобиля при изменении температурного режима в процессе эксплуатации расчетным путем определены изменения давлений в шине легкового автомобиля при различных изменениях температуры после закачки газов до давления, рекомендованного заводом-изготовителем транспортного средства.
Автомобильный транспорт, без сомнения, является становым хребтом экономики государств. Базовой частью любого автомобиля являются шины. Давления газов в шинах регламентируется рекомендациями заводовизготовителей транспортных средств. Чаще всего давление в шинах создается закачкой атмосферного воздуха.
Состав сухого воздуха приведен в табл. 1.
В воздухе присутствует и водяной пар. Его содержание составляет по объему
Таблица 1. Состав сухого воздуха на высоте уровня моря
Углекислый газ (СО2)
до 4%. По данным исследований состав воздуха на различной высоте атмосферной оболочки до 22 км сходен с составом воздуха у поверхности Земли. Коэффициенты объемного расширения основных газов воздуха β, 10-3К-1 составляют: азот-3,672; аргон — 3,676; водород — 3,664; гелий — 3,66; углекислый газ3,726; кислород -3,672; неон -3,661, а сухого воздуха — 3,665.
По данным срочных наблюдений за изменением температуры воздуха в различных климатических зонах земного шара можно сделать вывод, что она существенно зависит от поступления в атмосферу и на земную поверхность солнечной радиации. Из-за вращения Земли вокруг своей оси наблюдается суточный ход потоков солнечной энергии, а в зависимости от ее положения на орбитесезонный. Кроме того, сферичность планеты обуславливает зависимость поступления солнечной радиации от географической широты. Неоднородность полей температуры определяется особенностями теплообмена земной поверхности с атмосферой, фазовыми преобразованиями воды, свойствами подстилающей поверхности. Диапазон изменения температур может быть охарактеризован такими данными. Минимальная температура воздуха в феврале 1892г. в Верхоянске составляла -67,8ºС, на станции «Восток» в Антарктиде88,3ºС, а максимальная в Тиндуфе (пустыня Сахара) — 57,1ºС. На континентах колебание суточных значений температуры воздуха достигает 20-25ºС, а в пустынных, засушливых районах -30-35ºС. Анализ многочисленных материалов наблюдений показывает, что на формирование суточного хода температуры значительное влияние оказывают особенности рельефа и высота местности над уровнем моря. В своих исследованиях выдающийся русский исследователь А.И.Воейков доказал, что в вогнутых формах рельефа суточная амплитуда колебания температуры воздуха больше, а на выпуклых меньше, чем на равнине. В вогнутых формах рельефа, котловинах, долинах и т.п. в дневное время увеличивается прогревание воздуха, а в ночноевыхолаживание. В низкие формы рельефа стекает воздух с выпуклых формвершин, склонов, охлажденный на них ночью. горно-долинная и бризовая циркуляция также определяют особенности суточного хода температуры. Данные срочных наблюдений за температурой воздуха в мегаполисах показывают большие перепады между центром и окраинами в одно и то же время. Так, в г. Москве она достигает 10-12ºС ( особенно в зимнее время).
Рассмотрим вопросы изменения давления в шине 175/70R13 легкового автомобиля ВАЗ при изменении температурного режима окружающей среды. Принимаем, что объем закачиваемого в шину газа составляет 40л, а рекомендуемое заводом-изготовителем давление составляет 2.0 кгс/см2. При закачке в шины воздуха принимаем, что содержание водяных паров в нем составляет 2%. Тогда содержание закачиваемых основных компонентов воздуха в шину при давлении 101,3 кПа по объему в соответствии с законом Дальтона о парциальном давлении всех входящих в него газов составит: азот — 30,61л; кислород — 8,21л; пары воды — 0,8л; аргон — 0,37л; углекислый газ — 0,01л. Осуществление работ по закачке газов в шину может выполняться при различном температурном режиме окружающей среды. Определим массу основных закачиваемых в шину газов при температуре воздуха 5ºС, 10ºС и 20ºС и доведении давления до 2,0 кгс/см2. Расчет выполняем по уравнению:
a =0.01605 p M V/273+t ( 1)
- а -весовое количество газа (в г) в данном объеме V (в л );
- р — давление газа в мм рт. ст.; М — молекулярный вес газа;
- t — температура в ºС.
Результаты расчетов сведены в таблицу 2
Таблица 2. Весовое количество основных компонентов воздуха и азота (в г. ), закачиваемых в шину легкового автомобиля при различной температуре окружающей среды и доведения давления до 2 атм ( 202,6 кПа)
Масса основных газов воздуха и азота, закачиваемых в шину при температуре окружающей среды в ºС
Почему падает давление в шине
Многие автовладельцы сталкивались с тем, что шины постепенно сдуваются, хотя никаких видимых повреждений обнаружить не удается. Отчего же возникает такой эффект и какова причина снижения давления в шинах? Существует несколько ответов на этот вопрос – попробуем разобраться более детально.
Основные причины разгерметизации
Для начала следует убедиться в том, что не повреждены диски. Обычно, любое его повреждение приводит к деформации. Чаще всего такое случается, когда колесо ударяется обо что-то на большой скорости. Шина неплотно примыкает к ободу и происходит утечка воздуха. Диагностировать повреждение самостоятельно удается не всегда – оно может быть скрыто с внутренней стороны диска. Так что без помощи специалистов тут не обойтись.
Еще одной причиной снижения давления может быть разгерметизация ниппеля. Из-за механического воздействия, попадания частичек пыли может случится разгерметизация золотника. В таком случае постепенно спускается давление в шинах.
Если два предыдущих пункта под вашу ситуацию не подходят, следует искать прокол. Это одна из самых очевидных причин. Случается, что автомобиль наезжает на острый крупный предмет например, гвоздь или осколок, который застревает в месте прокола. В таком случае воздух будет спускаться постепенно. Если же проколота покрышка вместе с камерой – она лопнет моментально. Это чревато аварией. Также причиной снижения давления может послужить боковой порез. Таким образом можно повредить шину о бордюры, кромку колеи, торчащие острые предметы. Обычно, если случается порез боковой стороны, зимнюю или летнюю покрышку приходится менять.
Влияние температуры на уровень давления
Перепад температур – не самый очевидный для многих автовладельцев фактор. Тем не менее, он очень важен, поскольку имеет непосредственное влияние на состояние шины.
Давление в шинах изменяется в теплую и холодную погоду. Еще из школьного курса физики мы знаем, что при нагреве газ расширяется и увеличивается в объеме. А при низких температурах газ сжимается. Тот же самый процесс происходит внутри ваших колес. В странах, где температура существенно меняется на протяжении дня, очень важно уделять внимание давлению.
Научно доказано, что внутреннее давление изменяется на 3-4% при изменении температуры на 10°C. Проще говоря, если температура повысилась на 10°C , давление увеличилось на 3-4%, а если температура снизилась на 10°C, давление уменьшилось на 3-4%.
При этом следует принимать во внимание не только температуру воздуха вокруг. Есть еще и тепло, генерированное самой шиной, что также приводит к изменению давления.
Изменение температуры воздуха, а также нагрев самой шины, приводят к изменению уровня давления в шинах. Сцепление падает, ухудшается маневренность, портится каркас, идет увеличение расхода топлива. Но и перекачивать шину нельзя – это приводит к интенсивному и неравномерному износу. Наилучшим вариантом будет установка датчиков давления, которые помогут вам отслеживать состояние ваших шин.
Горячая, теплая или холодная? Как температура влияет на давление в шине
Как неоднократно говорилось, регулярное обслуживание не только улучшает ходимость, но и повышает надежность. Из всех способов ухода, самым важным для нас является регулярная проверка давления в колесе. Оптимальное давление(рекомендованное производителем) равняется оптимальной отдаче при эксплуатации.
Вы знаете, что давление зависит от температурных изменений и климатических условий? Да, это так – оно изменяется в теплую и холодную погоду. Что мы помним из школьного курса физики? То, что при нагреве газ расширяется и увеличивается в объеме. А при низких температурах газ сжимается. Тот же самый процесс происходит внутри ваших колес. В странах, где температура существенно меняется на протяжении дня, очень важно уделять внимание давлению.
Научно доказано, что внутреннее давление изменяется на 3-4% при изменении температуры на 10°C. Проще говоря:
- Если температура повысилась на 10°C , давление увеличилось на 3-4%;
- Если температура снизилась на 10°C (18°F), давление уменьшилось на 3-4%.
Итак, с этим разобрались. Идем далее.
Не только наружную температуру воздуха следует принимать во внимание при проверке и подкачке. Есть еще и тепло, генерированное самой шиной, что также приводит к изменению давления.
Суть вопроса в том. а как это влияет на работу?
Представьте такую ситуацию: ваш механик проверяет шины, и давление в норме – точно соответствует рекомендациям производителя. Все отлично. Затем (вскоре после проверки давления) температура окружающего воздуха существенно повышается (такое случается во многих уголках мира). Плюс к этому, резина разогрелась от работы. Комбинация этих двух факторов ведет к существенному увеличению давления и негативно влияет на работоспособность.
Всегда помните, что избыточное давление ведут к интенсивному и неравномерному износу — это враг номер один при эксплуатации колес.
Тот же принцип действует и в обратном направлении: наружная температура резко падает (к примеру, в суровую зиму) или при эксплуатации на снегу или льду. Сцепление падает, ухудшается маневренность и сцепление, портится каркас, идет увеличение расхода топлива.
А есть ли способ контролировать ситуацию и как предотвратить скачки давления? Настоятельно рекомендуем тщательно соблюдать рекомендации производителя. Помните, что номинальное давление надо проверять утром – когда транспортное средство еще не использовалось, а шины не нагрелись.
Но если вдруг наружная температура значительно изменилась (сильный мороз или жара), вам следует несколько отклониться от рекомендуемого давления – во избежание потенциальных проблем. Но пытайтесь это делать самостоятельно. Всегда предварительно проконсультируйтесь со специалистами по шинам. Он учтет особенности транспортного средства, режим эксплуатации, температуру и климат, а уж только затем даст рекомендацию по «тонкой настройке» давления. Помните главное, если есть какие-либо вопросы по давлению в колесе, не стесняйтесь попросить совет у специалиста по спецшинам.
Зависимость давления в шинах от температуры
Подробно о давлении в шинах велосипеда описано в отдельной статье на нашем сайте: «Давление в велосипедных шинах».
Здесь же мы обсудим только один нюанс: влияние температуры на давление в накачанном колесе. Причем это влияние имеет одинаковую природу и последствия для любых шин – велосипедных, мопедных, мотоциклетных и автомобильных.
От чего зависит температура воздуха в покрышке?
Прежде всего от температуры воздуха окружающей среды, где находится велосипед, (мотоцикл, автомобиль) при стоянке. Т.е. если колеса накачаны до давления 2,5 атмосферы дома или в гараже, где температура 20 °С, а затем байк (мотоцикл, автомобиль) выезжает на улицу, где температура +30 °С, то давление в шине уже чуть-чуть поднимается.
Далее. Колеса начинают катиться по горячему асфальту и соответственно нагреваются от соприкосновения с самим асфальтом и от возникающей силы трения резины об асфальт. В результате давление опять поднимается. Конечно, на велосипеде нагревание от трения заметно очень и очень мало и волнует только больших профессионалов на гонках, но при большом перепаде температур – в сильную жару или в холод это уже становится заметно. Этот фактор (нагрев от трения резины об асфальт) для автомобилистов и мотоциклистов гораздо важнее – скорости там значительно больше, чем на велосипеде и, соответственно, сила трения то же.
Нельзя сказать, что этот вопрос критически важен, но учитывать его нужно и особенно это заметно при значительных перепадах: более 15-20 градусов.
Например, если велосипед хранится зимой в теплой квартире или отапливаемом гараже при температуре +20 – +25 °С, а кататься Вы выезжаете зимой на -10 °С, то перепад составляет 30-35 градусов. Едет велосипед по снегу, снежной корке или льду, холодному замёрзшему асфальту, у которого температура то же не +20, и в итоге давление в колесе уменьшается примерно на 0,3 bar. А это уже значительно.
Как рассчитать давление в колесе в зависимости от температуры?
Мы не будем глубоко вдаваться в физику процесса.
Это все объясняет закон Шарля (второй закон Гей-Люссака), о котором можно почитать в учебниках физики или в википедии.
Приведем его основную идею и формулу для расчета.
Закон Шарля гласит, что «Давление газа фиксированной массы и фиксированного объёма прямо пропорционально абсолютной температуре газа.» В накачанном колесе как раз газ (воздух) фиксированной массы и объёма и чем выше температура – тем выше давление. Зимой на холоде в колесах оно уменьшается, а летом на солнце – увеличивается.
Сама формула рассчета давления в шинах в зависимости от температуры воздуха выглядит следующим образом:
Пример расчета: Если известно давление в колесе при 0°С, например, оно составляет 2,5 атмосферы (bar), то для расчета давления при температуре 25°С используем эту формулу и получаем:
«Давление при 0°С» * (273 + 25) / 273
2,5 * (273+25) / 273 = 2,73 ≈ 2,7 bar
Еще раз напомним, что: 273 – это температура в градусах по шкале Кельвина, а не в градусах по Цельсию.
Для облегчения жизни приведем таблицу изменения давления в колесе, накаченном при 0°С, в зависимости от температуры воздуха.
Если Вы измеряли давление при +20°С и хотите понять какое оно станет зимой на улице при температуре -15°С, то формула примет вид:
2,5 * (273 + -15) / (273 + 20) = 2,5 * 258 / 293 = 2,2 bar
В общем случае, если считать очень грубо и приблизительно, то можно сказать, что при давлении более 2 bar изменение температуры на каждые 8-10 °С приводит к изменению давления примерно на 0,1 Bar.
Опять, же для удобства приведем таблицу быстрого получения значений давления в колесе в зависимости от температуры воздуха на улице, в случае, если байкер накачивал его дома, при +20 °С.
Изменение давления особенно нужно учитывать в случаях, если шины накачиваются летом в домашних условиях до давления близкого к максимальному и поездка предстоит по жаре или наоборот, колеса качаются близко до минимальных значений, а поездка предстоит по холоду. Главное, чтобы не выйти за пределы минимальных и максимальных значений, указанных на покрышке.
Эта таблица работает так же для мотоциклетных и автомобильных колес. Даже если их накачивают гелием. Гелий ведь то же газ и так же подчиняется всем законам физики, несмотря на то, что об этом говорят работники СТО.
Комментарии (1)
Комментарии
KIN 17.07.2018 16:35
Весьма интересный и, очевидно, полезный материал. Но желательно понимать, что упругость шины, а весь сыр-бор именно из-за этого, определяется не только давлением газа в ней, но и самой шиной, т.е. ее материалом и конструкцией. Это, к сожалению, нам не подвластно. Но в самом общем случае, исходя из того, что резина при нагревании уменьшает свою упругость, можно предположить, что общая упругость системы в какой-то степени выравнивается при ее нагревании либо от температуры внешней среды, либо от трения о поверхность при качении.