Gumiabroncs

A gumiabroncs biztosítja az erőátvitelt a jármű és az út között. A jármű súlya képviseli a függőleges irányú erőket, a gyorsulás-lassulás az érintő irányúakat, a kanyarodáskor pedig oldalirányú (tengelyirányú) erők hatnak. A gumiabroncsnak olyannak kell lennie, hogy mindezeket elviselje. Ezeket az erőket (személyabroncs esetén) tenyérnyi helyen, a felfekvési felületen kell átadnia. A gumiabroncs gumiból és az erősítőváz anyagaiból (textilből és/vagy acélból) áll.

Gumiabroncsok osztályzása

Megkülönböztetünk tömörabroncsot és légabroncsot, aszerint, hogy a függőleges terhelést gumi vagy levegő veszi fel. (A jelen szócikkben leírtak alapvetően a légabroncsra vonatkoznak.) A szilárdsághordozó szövetváz szerkezete szerint megkülönböztetünk diagonál-, övesdiagonál- és radiálabroncsot. A felhasználó jármű típusa szerint megkülönböztetünk személy-, teher-, mezőgazdasági, földmunkagép-, ipari, repülőgép-, kerékpár- és motorkerékpárabroncsokat. (A vonatra és a metróra készült gumiabroncsok a teherabroncsokhoz tartoznak; a 4x4 abroncsok rendszerint személyabroncsok. A kisteherabroncsokat általában a teherabroncsok, ritkábban a személyabroncsok közé, esetleg egy külön „kisteherabroncs” típusba sorolják). A profilarány szerint megkülönböztetünk normálprofilú, alacsonyprofilú és szélesprofilú abroncsokat. A normálprofilúak profilaránya 0,9-nél nagyobb. Az alacsony- és a szélesprofilúaké ennél kevesebb. Nincs éles konstrukcióbeli határ közöttük, inkább történeti: az alacsonyprofilúak a normálprofilúak utódaiként jöttek létre változatlan profilszélességgel, a profilmagasság csökkentésével; a szélesprofilúak két ikerbe szerelt normálprofilú abroncs helyett jöttek létre. A felhasználási körülmények szerint megkülönböztetünk nyári és téli (és egész évre való) abroncsot, városi és távolsági forgalomra való abroncsot, országúti és terepjáró abroncsot. A felhasználási körülményeket befolyásolja a jármű típusa is. A légzárás típusa szerint megkülönböztetünk tömlős és tömlő nélküli abroncsokat. A tömlős személyabroncs a legtöbb országban ma már muzeális érték, és a teherabroncsok is túlnyomórészt tömlő nélküliek. Egyes piacokon (például India) ugyanakkor továbbra is túlnyomó részben a tömlős gumiabroncsok a keresettek, esetleg a tömlő nélküli radiálabroncsokat is behelyezett tömlővel használják.

Felépítés

A gumiabroncs meglehetősen összetett szerkezet. A modern abroncsok mintegy húsz különböző alkatrészt tartalmaznak, ezek egy része speciális összetételű gumi, más részük gumiba ágyazott textil-, műanyag- illetve fémszálak segítségével készített kompozit anyag. Az abroncsok legfontosabb alkatrészei a következők: Az abroncs legbelső rétege a légzáró, melynek feladata, hogy megtartsa a gumiabroncsba fújt levegőt, valamint megakadályozza a pára, nedvesség bejutását. A szövetváz (karkasz) feladata, hogy ellenálljon a gumiabroncsba fújt levegő feszítésének, terhelés esetén is, tehát akkor is, amikor az abroncs az autó súlyát tartja. A szövetváz több betétből is állhat. Egy-egy betét gumiba ágyazott mesterséges szálasanyagú fonalakból, vagy acélszálakból áll. A szövetváz minden fordulat alatt ciklikusan változó deformáción megy keresztül, tehát élete során (ha a mintázatot utánvágják, esetleg a teljes futót cserélik, azaz az abroncsot újrafutózzák, akkor több élete során) állandóan hajlítgatásnak van kitéve. Ezért a szövetváz szálasanyagának hajlékonynak kell lennie. Ezért áll a szövetváz acélkordja vékonyabb elemi szálakból, és ezért készülnek a kisebb abroncsok (pl. személyabroncsok) szövetváza gyakrabban fonalakból, az öv pedig a merevebb acélból. Az övek veszik fel azokat az erőket, amelyekkel a talaj hat az abroncsra. Mivel a kerületirányú erők jelentősebbek, ezért az övben a szálak 20° körüli szöget zárnak be a koronavonallal. A szakítószilárdságon kívül fontos követelmény az öv számára a nagy merevség is, a kisebb kopás és gördülési ellenállás érdekében. Az övrendszer általában néhány övbetétből áll. Egy-egy betét gumiba ágyazott műanyag vagy acélszálakból áll. Használat közben az övbetétek között erős nyírás lép fel, a legnagyobb nyírófeszültség éppen a legnagyobb terhet viselő övek szélén, és annál nagyobb, minél közelebb vannak az övkordok egymáshoz. Ezért az övek szélén kicsit vastagabb a gumiréteg a kordok között, akár övtöltőék is lehet egyes övbetétek szélén. Az abroncsnak a pereme (III) a kerékpánton (felnin, keréktárcsán) keresztül kapcsolódik a járműhöz. A peremet nagy szakítószilárdságú huzalból készült huzalkarika szorítja a pántra felfújt állapotban. A peremvédő felületén keresztül érintkezik az abroncs a pánttal. Feladata, hogy a köpeny ne csússzon el a pánton. Bírnia kell az elcsúszással járó dörzsölődést mechanikailag is, és a fejlődő hőnek is ellen kell állnia. Az oldalgumi feladata a szövetváz védelme a külső behatásokkal szemben. Ide kerülnek az abroncsfeliratok. Az oldalguminak hajtogatás- és öregedésállónak kell lennie. A talajjal az abroncsnak a futója érintkezik. A futó akkor jó, ha jól tapad az útra, nem zajos, nem kopik. Jelentősek ugyanakkor a futó alakváltozásai is, miközben belép a gumi–útfelület kapcsolatát meghatározó zónában a felfekvési felületre. Belépéskor például összenyomódik, kilépéskor ez az összenyomott állapot megszűnik. A futógumival szemben elvárás, hogy a teljes alakváltozási ciklus során elvesző energia (a gumi hiszterézise) a lehető legkisebb legyen. A szilárdsághozó elemekkel érintkező gumik általában kemények, nagy moduluszúak, különösen, ha a vázanyag acél (az acél modulusza kb. ezerszer akkora, mint a gumié). Ezek a részek párnásabb gumialkatrészekkel vannak körülvéve, ilyen például a felső övpárna, az alsó övpárna, a perempárna, a peremék. Ezek általában kis melegedésű (alacsony hiszterézisű), jó dinamikus tulajdonságokkal rendelkező gumiból vannak, melyek gond nélkül bírják a sok millió összenyomódás-nyúlás ciklust. Az alkatrészeknek mind nagyon jól kell tapadniuk egymáshoz. Az elválás hamar tönkreteszi az abroncsot, nem ritkán robbanásszerűen (durrdefekt). Ahhoz, hogy egy abroncs megfeleljen az elvárásoknak, közel 50 tulajdonságnak kell megadott szinten, minőségben megfelelnie. Ezek a tulajdonságok sokszor ellentétesen változnak egy adott konstrukciós vagy gyártási paraméter változtatásával. Például ha növeljük a csatornamélységet, akkor nő az abroncs futásteljesítménye (tovább tart, míg elkopik), de nő a gördülési ellenállása is.

Profil arány

A profilarány a profilmagasság (H) és a profilszélesség (S) hányadosa. Történelmileg először a normálprofilú abroncsok fejlődtek ki (H/S ≈ 1). Később egyre csökkent a profilarány. Mivel a jármű súlyából származó rezgéseket a zárt térben levő levegő csillapítja, az egyre csökkenő térfogatú térben levő levegőmennyiséget úgy tartják változatlan szinten, hogy növelik a nyomást. Tehát az abroncsoknak egyre nagyobb nyomást kell elviselniük; emellett minél alacsonyabb profilú az abroncs, annál nehezebb gyártani. Az alacsonyprofilú abroncsok rugózása merevebb, tehát a kényelmetlenséget valamivel ellensúlyozni kell, viszont az oldalirányú merevség is nő, és ez erősen javítja a kormányozhatóságot.

Diagonál és radiál

A diagonálabroncsokban nem voltak övek. A szövetváz kordjai 45° körüli szöget zártak be a koronavonallal. Voltak viszont a futó és a szövetváz között párnabetétek, amelyek ritka szövetből készültek, mintegy átmenetet képezve a nagyobb moduluszú szövet és a gumis futó között. A szövetváz viselte 1. a kerületirányú erőket és 2. a radiális erőket is. A radiálabroncsban ez a két funkció kettéoszlik, és lehet optimalizálni a szövetvázat a radiális irányú erőkre, az öveket a kerületirányúakra. A radiálbetét kordjai merőlegesek a koronavonalra, és így ebben az irányban egy szál kétszer akkora nyomásból eredő erőt tud elviselni, mint a diagonálabroncs esetében. Ezért feleannyi szövetvázbetétre van szükség, mint a diagonálabroncs esetében (csak a kordszálak irányából fakadóan). Csökkenthető az oldalfal vastagsága, jobban hűl az abroncs. Az övek szöge csökkenthető, és ezzel nő a merevségük, és jobban ellenállnak a nagy sebességek hatására fellépő nagy centrifugális erőkkel szemben. A merevebb szerkezetnek köszönhető, hogy az abroncs laposabban ráfekszik az útra. Ezért kevésbé mozgékony a futó, ami csökkenti a gördülési ellenállást. Ugyanakkor ha rámegy egy kőre, nagyobbat zökken, nagyobb feszültségek ébrednek benne, melyek következtében az abroncs alkatrészei elválnak egymástól vagy elszakadnak; a radiálabroncs hamarabb tönkremegy göröngyös úton, mint a diagonál. A radiálabroncsok felépítéséhez más gépek kellettek, mint a diagonálabroncsokéhoz, és módosítani kellett az autók felfüggesztését is; ez sokakat visszatartott az átállástól. Kitalálták az övesdiagonálabroncsot, ami egyfajta átmenetet képezett a diagonál és a radiál között. A szövetváza diagonál volt, az öve radiál. Különösen az USA-ban volt sokáig alacsony a radiálabroncsok aránya. Ez abból fakadt, hogy Amerikában rosszabbak voltak az utak és nagyobbak az abroncsok, másrészt rossz volt a járműgyártók és az abroncsgyártók közti összhang, és az abroncsgyártók egymással szemben is titkolóztak.

A futómintázat

Ha teljesen sima lenne az út, akkor legjobban a sima futófelületű abroncs tapadna rá. A valóságban azonban az út mindig tele van szemcsékkel, vízzel stb. Nem beszélve a terepjáró, mezőgazdasági stb. abroncsokról. A mintázat egyik jellemzője a telítettség. A telítettség megadja, hogy a teljes felfekvési felületen belül mekkora hányadot képvisel az a rész, amelyen gumifelület ér a talajra (ahol nem csatorna vagy lamella található), általában százalékban kifejezve. A telítettség ellentéte a csatornaszázalék, amely azt adja meg, hogy a teljes felfekvési felületből mekkora hányadot tesznek ki a csatornák és lamellák. A lazább talajokra a telítetlenebb mintázat a megfelelő. A kemény országútra való mintázatok csatornaszázaléka 30-40% körüli, az M+S (hó és sár) abroncsoké és a félterepjáróké mintegy 10%-kal nagyobb, a terepjáróké még 10-20%-kal. A traktorok meghajtott kerekére való mezőgazdasági abroncsok mintázatának telítettsége pedig csak 20% körüli. Az elsősorban városi használatra tervezett mintázatok az országútiak szélső esetei: a csatornaszázalék a 30%-ot is alig éri el. Itt nem annyira fontos a szemcsék és víz elvezetése, mint városon kívül illetve nagy sebességnél, viszont így tovább tart a futó. A mintázatok két alapesete a folyondáros mintázat (amelyet hosszanti csatornák és bordák alkotnak) és a kapaszkodó mintázat (amelyet keresztcsatornák kapaszkodó bordák alkotnak). A folyondáros mintázat tipikusan országúti kormányzott kerékre való mintázat, jó iránytartást biztosít kanyarodáskor. Az abroncs folyamatosan ugyanazon a néhány bordán gördül, nem csapódnak új mintázati elem élek az útra. Ezért a hosszanti csatornás mintázatok viszonylag csendesek. A széles keresztcsatornák jó kapaszkodóképességet biztosítanak. Tipikusan meghajtott tengelyre való mintázat. A terepjáró mintázat nagy kapaszkodó bordákból áll, közte olyan nagy üres hellyel, hogy itt már nem is szoktak csatornáról beszélni. Mindig új mintázati elem ér az útfelületre. Ezután rövid ideig ezen a blokkon gördül az abroncs, majd egy keresztirányú csatorna következik, és a következő mintázati blokk elülső éle csapódik rá az útra. Ez viszonylag nagy zajjal jár. A blokkos mintázatok szétdarabolt folyondáros vagy kapaszkodó típusú mintázatnak is felfoghatók, és többé vagy kevésbé uralkodó lehet a folyondáros vagy kapaszkodó jelleg, például aszerint, hogy hosszanti vagy keresztirányban vannak-e egymáshoz közelebb a blokkok, milyen irányban áll a mintázati blokkok éle stb. Országúton nem túl elterjedten használják a kapaszkodó mintázatot, a hátsó tengelyen a blokkos mintázat a gyakoribb. Minél mozgékonyabb a mintázat, annál jobban tapad az útra. Amelyik irányban mozgékonyabb, abban az irányban. De annál gyorsabban kopik és annál nagyobb a gördülési ellenállása. A mozgékonyság annál nagyobb, minél telítetlenebb a mintázat és minél mélyebb a csatorna. A valóságos mintázatok általában nem kizárólag pontosan hosszanti vagy azzal 90°-ot bezáró irányú keresztcsatornákból állnak. Egyrészt egy abroncs sosem kizárólag csak egyféle körülmények között üzemel, másrészt az abroncsra ható erők sem tisztán kerületi vagy tengelyirányúak, hanem van kerületirányú és tengelyirányú komponensük is. Ezért vannak olyan mintázatok, amelyeket például 15 mm széles hosszanti csatornák és 1–2 mm széles és/vagy 3–4 mm mély keresztcsatornák alkotnak. Vannak olyanok, amelyekben hosszanti bordák futnak a teljes kerület mentén, de vállban erős kapaszkodójuk is van. Vagy vannak blokkos félterepjáró mintázatok, melyekben a hosszanti csatornák ugyanolyan kifejezettek, mint a keresztcsatornák; ezek kicsit terepre is jók, kicsit országútra is, kicsit meghajtott tengelyre is, kicsit kormányzott tengelyre is. És ezek között létezik mindenféle átmenet is. Egy ritka példa: majdnem teljesen hosszanti csatornák alkotják a traktorok első kerekére szerelt implement abroncsokat.

Mintázatok

Ott, ahol az abroncs a talajjal érintkezik (a felfekvési felületen), a csatornák is szétlapulnak, majd, továbbgördülve és elhagyva a talajt, újra elkeskenyednek. Így köveket szedegetnek fel az útról, melyek beszorulhatnak a csatornába, és ott minden fordulatnál szétfeszítik a csatornát és vágják a csatornafeneket. A széles csatornák nagyobb köveket szednek fel, a keskenyebbek kisebbeket. A kövek akkor potyognak ki a csatornából nagyobb eséllyel, ha változik a pillanatnyi (helyi) csatornaszélesség (míg a kő mérete állandó marad). Ezért nem kedvez a kőkivetésnek a meredek, majdnem függőleges falú csatorna, viszont kedvez, ha a csatorna mentén haladva változik a csatornaszélesség, a csatornafal meredeksége, lehetőleg nem egyszerre a jobb és bal oldalon. Az országúton illetve városban nem annyira fontos a kövek vagy sár eltávolítása, mint rosszabb utakon, vagy hóban-sárban. Ezért a városi (országúti) mintázatok csatornafala meredekebb, mint például az M+S mintázatoké; ennyivel is nagyobb a gumi mennyisége a futóban, és ennyivel nagyobb lesz az abroncs futásteljesítménye. Mivel a legkellemetlenebb, ha a kő a csatornafeneket érinti, ezért igyekeznek ez megakadályozni. Először is nem lehetnek feszültséggyűjtő éles sarkok: a csatornák feneke lekerekített. Segít, ha a csatorna legalul jóval keskenyebb, mint a csatornamélység nagy részén, vagy ha „hidakat”, azaz helyi kiemelkedéseket helyeznek el a csatorna fenekére, amelyek nem engedik, hogy a kő hozzáférjen. Meg kell jegyezni, hogy a csatornafenék-repedezés elleni küzdelem leghatásosabb módja a megfelelő csatorna alatti gumivastagság és a megfelelő gumiösszetétel.

Ritmikus és aritmikus mintázat

Első pillantásra úgy tűnik, hogy a futómintázatban ugyanaz az 5–10 cm-es szakasz ismétlődik körbe-körbe. Ez nem feltétlenül van így. Ha így van, akkor ritmikus mintázattal van dolgunk. Ha nem, akkor egy-két féle osztásból áll a teljes mintázat, melyek különféle (nem ismétlődő) ritmusban követik egymást a kerület mentén (pl. AAABAAAABBABBAAAB). Ez aritmikus mintázat; ha C osztás is van, még aritmikusabb lehet a mintázat. Kis különbségek is számítanak, de a hatás fokozható, ha a mintázat nemcsak a kerület, hanem a profil mentén is több részre van osztva, vagyis egymástól függetlenül cserélgethetők a mintázat részei a koronában és a vállban. Ha a kerület mentén végig ugyanazok a rövid szakaszok ismétlődnek (ritmikus mintázat), akkor az ismétlődési frekvenciának megfelelő zajt halljuk. Ha az ismétlődési frekvencia fordulatonként 1 (aritmikus mintázat), az már olyan kicsi frekvenciát jelent, ami az emberi fül számára nem érzékelhető. Az aritmikus mintázat kevésbé zajos. Az aritmikus mintázat hátránya az, hogy bonyolultabb, vagyis nehezebb gyártani, karbantartani a gépeket.

Szimmetrikus és aszimmetrikus mintázat

Kanyarodáskor a jármű súlyának nagyobb része a külső ívre támaszkodik, vagyis bal kanyarnál a jobb első abroncs külső felére, jobb kanyarnál a bal első abroncs külső felére. Ebből származott az ötlet, hogy meg lehetne erősíteni az abroncsok külső részét, hogy jobban bírják a fokozott igénybevételt. A mintázat arról is megismerhető, hogy profil mentén két szemmel láthatóan elkülönülő részből áll, és a megerősített külső rész a keskenyebb. Az aszimmetrikus abroncsoknak egyébként az övszerkezete is aszimmetrikus lehet. Nem mindegy, hogy az aszimmetrikus abroncsoknak melyik fele van kívül (nagyobb igénybevétel), és melyik fele belül (kisebb igénybevétel), vagyis hogy melyik abroncs kerüljön jobb oldalra, melyik bal oldalra.

Egyirányú mintázat

Az egyirányú abroncsokon mintegy negyedkerületnyi nyíl jelzi, merre forog előre az abroncs (ez nem azt jelenti, hogy ilyen abronccsal tilos tolatni, hanem azt, hogy a helyes irányban felszerelve jobb tulajdonságokkal rendelkezik, mint a „kétirányú” mintázat). Egyirányú a mintázat például akkor, ha a mintázati elemek jellemzően az egyi irányban jobban támaszkodnak egymásra, mint a másikra, egyik irányban mozgékonyabbak, mint a másikban. A meghajtott tengelyre szerelt mezőgazdasági abroncsok nagybordás kapaszkodó mintázata jellegzetesen egyirányú.

Aquaplaning

A futóguminak akkor is tapadnia kell az útra, ha vízréteg borítja. Ahogy az abroncs rágördül a vízrétegre, a belefújt levegőből adódó nyomás „szétnyomja az útból” a vizet, és a csatornákon keresztül elvezeti hátra és oldalra. Minél gyorsabban gördül az abroncs, annál kevesebb ideje van a víznek elvezetődnie. Ha nagyobb a belső nyomás, jobban szét tudja nyomni az abroncs a vízréteget (a teherabroncsok nyomása 8 bar körüli, a személyabroncsoké 2 bar körüli). A nagyobb keresztmetszetű csatornák gyorsabban el tudják vezetni a vizet. A vízréteg vastagodásakor (azonos abroncsnál és sebességnél) egyszercsak elérkezik az a pillanat, amikor a csatornák már nem tudják elvezetni a vizet, és a szilárd gumi nem ér a talajra. Az abroncs felúszik a vízre, mint a vízisí. Ez az aquaplaning (vízencsúszás). Az autó irányíthatatlanná válik, hiszen nem ér a talajra az az alkatrésze (az abroncs), ami megváltoztatná a mozgásirányát, csak hányódik a víz hullámain. Ez a pillanat annál hamarabb következik be, minél nagyobb az autó sebessége, minél kisebb a belső nyomás, minél kisebb a csatornák keresztmetszete.