Renkaiden epätasapainon, ilmanpaineen ja muotovirheiden vaikutus raskaan kaluston energiankulutukseen

AALTO YLIOPISTON TEKNILLINEN KORKEAKOULU Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta Koneenrakennustekniikan laitos Timo Naskali Renkaiden epätasapainon, ilmanpaineen ja muotovirheiden vaikutus raskaan kaluston energiankulutukseen Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi insinöörin tutkintoa varten. Espoo 25.5.2010 Työn valvoja Työn ohjaaja Professori Matti Juhala Diplomi insinööri Osku Kaijalainen

2 AALTO YLIOPISTON TEKNILLINEN KORKEAKOULU Tekijä: Timo Naskali Työn nimi: Renkaiden epätasapainon, ilmanpaineen ja muotovirheiden vaikutus raskaan kaluston energiankulutukseen Päivämäärä: 25.5.2010 Tiedekunta: Laitos: Professuuri: Työn valvoja: Työn ohjaaja: Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta Koneenrakennustekniikan laitos Kon 16 Auto ja työkonetekniikka Professori Matti Juhala Diplomi insinööri Osku Kaijalainen Diplomityön tiivistelmä Sivumäärä: 132 Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää millaisia vaikutuksia renkaan epätasapainolla, ilmanpaineella ja muotovirheillä on raskaan kaluston energiankulutukseen. Samalla tarkasteltiin millaisia muita vaikutuksia kyseisillä renkaiden ominaisuuksilla on niin ajoneuvon kuin ympäristönkin kannalta. Asioita on tarkasteltu myös kustannusten ja kannattavuuden näkökulmasta. Työn alussa on käyty läpi raskaan kaluston renkaiden ominaisuuksia ja valmistusta sekä asioita joiden pohjalle keskeisten aiheiden vaikutukset muodostuvat. Työn perustana on suurelta osin kirjallisuustutkimus kyseisistä asioista. Varsinaisia suoria tutkimuksia ei epätasapainon vaikutuksista energiankulutukseen löytynyt. Osaan epätasapainon aiheuttamista vaikutuksista löytyi tutkimustuloksia, esimerkiksi pyörän dynaamisen kuormituksen vaihtelun vaikutuksista. Muotovirheiden vaikutuksia koskevat tutkimukset käsittelivät lähinnä matkustusmukavuuteen vaikuttavia seikkoja. Löydettyjen lähteiden perusteella keskeisten aiheiden ympärillä on markkinoilla monia erilaisia ratkaisuja, joten aiheeseen liittyvää mainosmateriaalia tulee helposti vastaan. Kuitenkaan mainosväitteiden perustoiksi ei löytynyt merkittäviä selvitys tai tutkimustuloksia. Koottujen tulosten perusteella vaikuttaisi siltä, että renkaan epätasapainolla ei ole juurikaan vaikutusta energiankulutuksen kannalta. Muut ajoneuvon kulumista aiheuttavat vaikutukset jäänevät myös melko pieniksi. Tulos johtuu suurelta osin siitä, että raskaassa kalustossa pyöränkuormat ovat niin suuria, ettei niihin aiheudu merkittävää vaihtelua epätasapainosta maantienopeuksillakaan. Tiehen aiheutuvat rasitukset kasvavat jonkin verran. Eniten vaikutusta on matkustusmukavuuteen ja ohjauspyörän värinöihin. Epätasapainolla on oma osuutensa renkaiden nopeampaan kulumiseen. Sen vaikutusten suhteellinen osuus on vaikeasti selvitettävissä, koska muita vaikuttajia kuten mm. muotovirheitä ei saada poistettua. Löydettyjen tulosten perusteeksi on tehty vertailevia laskelmia, jotka tukevat tuloksia siitä, että epätasapainolla ei ole havaittavaa vaikutusta energiankulutuksen kannalta. Nokian Renkailla tehtiin epätasapainon ja säteisheiton vaikutuksia kartoittava mittaus, jonka tulokset ovat samassa linjassa edellisten arvioiden kanssa epätasapainon vähäisestä vaikutuksesta energiankulutukseen. Renkaan ilmanpaineella on suora vaikutus vierinvastukseen ja sitä kautta energiankulutukseen. Noin 10 % paineen vajaus raskaan kaluston renkaissa nostaa polttoaineenkulutusta 0,5 0,75 % ja 20 % vajaus vastaavasti 1 1,75 %. Keskimäärin noin 20 %:ssa raskaan kaluston renkaista on virheellinen paine. Renkaan rungon vahingoittumisen kannalta 20 % painevajaus on jo kriittinen. Muotovirheistä aiheutuvat vaikutukset ovat paljolti epätasapainosta aiheutuvien kaltaisia, eikä useimmilla tavanomaista suuruusluokkaa olevilla virheillä ole kovinkaan suurta vaikutusta energiankulutukseen. Muotovirheistä vain pyörän huomattavalla säteisheitolla on energiankulutusta lisäävä vaikutus. Sen sijaan matkustusmukavuuteen useimmat muotovirheet ja erityisesti pyörän säteisheitto vaikuttavat. Muotovirheistä ja epätasapainosta aiheutuu pitkällä aikavälillä renkaan nopeampaa ja epätasaisempaa kulumista, joka nostaa rengaskustannuksia. Avainsanat: rengas, raskas kalusto, Kuorma auto, epätasapaino, muotovirhe, rengaspaine, energiataloudellisuus, polttoaineenkulutus, vierinvastus, säteisheitto

3 AALTO UNIVERSITY SCHOOL OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Author: Timo Naskali Title of the The Influence of Tyre Unbalance, Pressure and Ununi Thesis: formity on the Energy Consumption of Heavy Vehicle Date: 25 May 2010 Faculty: Department: Professorship: Supervisor: Instructors: Faculty of Engineering and Architecture Department of Engineering Desing and Production Kon 16 Automotive Engineering Professor Matti Juhala Osku Kaijalainen, M.Sc. (Tech.) Abstract of Master s Thesis Number of pages: 132 The aim of this Master s thesis was to investigate the effects of tyre unbalance, pressure and ununiformity on heavy vehicle energy consumption. Also investigate what other effects these features have to the vehicle as an environmental viewpoint. Issues are also being considered from the perspective of costs and profitability. The first part of the thesis deal with heavy vehicle tires, the properties and manufacture, and matters which effects on key issues. Work is largely based on the literature survey on these subjects. No formal studies on the direct effects of imbalance on energy consuption are found. Some studies have found of effects that imbalance caused, for example, the dynamic wheel load variation effects. Studies on the effects of ununiformity, mainly dealt with matters affecting the ride comfort. A wide range of tire balancing solutions are on the market, so advertising materials will be readily received. However, there could not be found significant research results for the claims of advertisements. Based on the results gathered, it would appear that the tire unbalance has no impact on energy consumption. The vehicle component wear is likely quite small. Result is largely that the heavy vehicle wheel loads are so large that unbalance does not cause significant variation. The stress of the road will increase. Most impact is the travel comfort and the steering wheel vibration. Comparative calculations have been made in support of the results and the unbalance does not have any detectable effect. In Nokian Tyres was made the measurement of tyre unbalance and radial run out effects. The results are in line with previous estimates. The measurements show no effect of imbalances in energy consumption. The tire pressure has a direct effect on rolling resistance and thus energy consumption. Approximately 10 % of the pressure deficit in heavy vehicle tires increase fuel consumption by 0,5 0,75 % and 20 % deficit 1 1,75 %. On average approximately 20 % of the heavy vehicle tires pressure is incorrect. The effects of ununiformity are largely similar to an unbalance. Most of the normal magnitudes of ununiformity have no impact on energy consumption. Tyre radial run out cause some increase in energy consumption. Tyre ununiformity especially radial run out decrease the ride comfort. In longterm use tyre ununiformity and unbalance caused faster and irregular tread wear, which increases tyre costs. Keywords: tyre, tire, wheel, heavy vehicle, truck, unbalance, pressure, ununiformity, energy consumption, fuel consumption, rolling resistance, radial run out

4 Alkusanat Tämä diplomityö tehtiin osana TransEco hanketta, jossa pääteemoina ovat tieliikenteen energiansäästöt ja uusiutuva energia. Työ on tehty pääosin kirjallisen lähtöaineiston perustella. Työn aikana tehtiin yksi epätasapainon ja säteisheiton vaikutuksia kartoittava mittaus Nokian Renkaiden tehtaalla. Työn tekeminen tapahtui 21.12.2009 25.5.2010 välisenä aikana Aalto yliopiston teknillisen korkeakoulun koneenrakennustekniikan autoja työkonetekniikan tutkimusryhmässä. Haluan kiittää työni valvojaa professori Matti Juhalaa hyvistä neuvoista ja ideoista työhöni. Myös työni ohjaajalle Di Osku Kaijalaiselle sekä TkL Panu Sainiolle kuuluvat kiitokset mielenkiinnoista ja avusta työtäni kohtaan, sekä tietenkin muille samassa työtilassa työskennelleille hyvästä ilmapiiristä. Kiitän Nokian Renkaiden Teppo Siltasta ja Jukka Koskista mielenkiinnosta ja saamistani vinkeistä työhöni sekä mahdollisuudesta vierailla tehtaalla ja olla mukana suorittamassa mittauksia. Ari Fagerströmiä haluan kiittää mittausten suorittamisesta. Suuret kiitokset kuuluvat myös vanhemmilleni, jotka ovat tukeneet ja kannustaneet minua opinnoissani. Espoossa 25.5.2010 Timo Naskali

Sisällysluettelo 5 Diplomityön tiivistelmä... 2 Abstract of Master s Thesis... 3 Alkusanat... 4 Lyhenneluettelo... 7 1 JOHDANTO... 8 2 RENKAIDEN KEHITYKSEN TAUSTAA... 9 2.1 Kumin historia... 9 2.2 Renkaan historia... 10 3 RASKAAN KALUSTON RENKAAT... 15 3.1 Renkaiden jaottelu ja käyttökohteista riippuvat erot... 15 3.1.1 Pitkän kilometritavoitteen renkaat... 18 3.2 Käyttöä koskevat lakisääteiset vaatimukset... 20 3.3 Renkaan rakenne ja valmistusprosessi... 20 3.3.1 Renkaiden pinnoitus ja kierrätys... 26 3.4 Renkaiden koko ja merkinnät... 33 3.5 Paripyöräasennukset ja supersinglet... 34 3.6 Vanteen valmistus, rakenne ja merkinnät... 38 3.7 Renkaiden kuluminen... 40 3.8 Renkaiden energiankulutuksen muodostuminen... 43 3.9 Renkaista aiheutuvat kustannukset raskaassa liikenteessä.... 48 4 RENKAAN TASAPAINO... 52 4.1 Staattinen ja dynaaminen tasapaino... 52 4.2 Epätasapainoisuuteen vaikuttavat tekijät... 54 4.3 Epätasapainoisuuden haitat... 56 4.3.1 Energiankulutus... 57 4.3.2 Alustan komponenttien kuluminen ja rasitukset... 65 4.3.3 Epätasainen renkaan kuluminen... 66 4.3.4 Tiekosketuksen heikkeneminen... 68 4.3.5 Tiehen kohdistuvat rasitukset... 69 4.4 Epätasapainoisuuden mittaaminen... 71 4.5 Tasapainotusmenetelmät... 74 4.6 Tasapainottamisen kustannukset... 79 5 RENKAAN ILMANPAINE... 81 5.1 Renkaan ilmanpaineen merkitys... 81 5.2 Vierinvastus... 85 5.3 Vaikutus energiankulutukseen... 91 5.4 Valvonta ja säätöjärjestelmät... 92 6 RENKAAN MUOTOVIRHEET... 96 6.1 Muotovirheet... 96 6.2 Synty... 97 6.3 Mittaaminen ja korjaaminen... 98 6.4 Vaikutukset... 101 7 EPÄTASAPAINON JA SÄTEISHEITON VAIKUTUKSIA KARTOITTAVA MITTAUS... 106 7.1 Testirengas ja vanne... 106 7.2 Mittausten suoritus... 107 7.3 Mittausten tulokset ja analysointi... 109

8 TULEVAISUUDEN NÄKYMIÄ... 111 9 YHTEENVETO... 114 LÄHDELUETTELO... 116 LIITTEET... 125 LIITE A: Osa renkaita koskevia kohtia asetuksesta ajoneuvojen käytöstä tiellä 4.12.1992/1257 LIITE B: Simulink malli epätasapainon vaikutuksiin LIITE C: Kuvaajat epätasapainon vaikutuksista jousen puristumiin LIITE D: Kuvaajat epätasapainon vaikutuksista renkaan joustoihin LIITE E: Simulink malli säteisheiton vaikutuksiin LIITE F: Kuvaajat säteisheiton vaikutuksista jousen puristumiin LIITE G: Kuvaajat säteisheiton vaikutuksista renkaan joustoihin LIITE H: Vierinvastusmittausten tulokset 6

7 Lyhenneluettelo Lyhenteet ja termit ABS ATIS Braunschweig sykli DOT ECE ESC ETRTO EUWA M+S Rengaspaine STRO Supersingle TPM TPMS TRA Anti lock Braking System Automatic Tire Inflation System Linja autoille kehitetty ajosykli, joka vastaa kaupunkiajoa. Department of Transportation Economic Comission for Europe Electronic Stability Control European Tyre and Rim Technical Organisation Association of European Wheel Manufacturers Mud + Snow Renkaan ilmanpaine Scandinavian Tyre and Rim Organisation Leveä yksikköpyörä, jolla on saatettu korvata paripyöräasennus. Tyre Pressure Monitoring Tyre Pressure Monitoring System Tire and Rim Association

1 JOHDANTO 8 Renkaat ovat yksi keskeisistä vaikuttajista liikkuvan ajoneuvon ominaisuuksiin. Niiden vaikutus ilmenee sekä suoranaisesti että välillisesti moniin asioihin. Raskaan kaluston renkaiden tasapainottaminen ja muotovirheet ovat tavallisesti vähemmälle huomiolle jääneet asiat, koska monien selkeämmin havaittavien ominaisuuksien kautta on pystytty vaikuttamaan renkaan taloudellisuuteen. Osittain kyseiset asiat ovat jääneet huomiotta myös siksi, että niillä ei ole yhtä selkeää vaikutusta matkustusmukavuuteen kuin henkilöautoissa. Raskas kalusto kuluttaa merkittävän osan tieliikenteen käyttämästä dieselpolttoaineesta. Päästöjen pienentäminen on jatkuvasti ajankohtainen asia, jonka takia olisi oleellista saada tarkemmin selville myös renkaan eri ominaisuuksien vaikutus sen aiheuttamassa energiankulutuksessa. Renkaan energiankulutusta käsitellään vierinvastuksen kautta. Vierinvastuksen suuruuteen vaikuttavat monet renkaan ja ympäristön muuttujat. Tässä diplomityössä tarkastellaan varsinaisen raskaan kaluston eli kuorma ja linja autojen sekä näiden perävaunujen renkaiden epätasapainoisuuden, ilmanpaineen ja muotovirheiden aiheuttamia vaikutuksia. Erityisesti pyritään selvittämään millaisia vaikutuksia edellä mainituilla ominaisuuksilla on energiankulutuksen kannalta, mutta samalla huomioidaan myös muut aiheutuvat kustannukset. Tarkasteluissa ei ole mukana niin sanottu kevyempi kuljetuskalusto, vaikkakin ne voivat olla rekisteritietojen perusteella kuorma autoja. Tällaisessa kalustossa käytettävät renkaat ovat monesti pakettiautojen koko ja painoluokan renkaita, jotka poikkeavat suuresti varsinaisen raskaan kaluston renkaista. Työ rakentuu kirjallisuus ja Internet lähteiden, ajankohtaisten konferenssi ja messuesityksien, alalla työskentelevien ammattilaisten haastatteluiden sekä yritysvierailuiden pohjalle. Aluksi käsitellään raskaan kaluston renkaiden ominaispiirteitä, kehitystä, niiden rakennetta ja valmistusta, elinkaarta sekä energiankulutusta ja kustannuksia. Vanteiden osalta käsitellään osittain samoja asioita, sillä ajoneuvon pyörän tasapainoisuuteen ja muotovirheisiin vaikuttavat myös vanteiden ominaisuudet. Epätasapainon, renkaan ilmanpaineen ja muotovirheiden vaikutuksia ja niihin liittyviä asioita käsitellään ja arvioidaan syvällisemmin.

2 RENKAIDEN KEHITYKSEN TAUSTAA 9 2.1 Kumin historia Ensimmäiset historiantiedot kumipuusta saadun nesteen käytöstä sijoittuvat ajalle 2500 vuotta eaa. Tarkkaan ei tiedetä milloin trooppisten kumikasvien maitiaisnestettä alettiin ensimmäisen kerran hyödyntää erilaisiin tarkoituksiin. Etelä Amerikan alkuasukkaiden tiedetään tehneen kumipuun maitiaisnesteestä palloja. Ensimmäisiä hyötykäyttökohteita on luultavasti ollut luonnonkumin käyttö tekemään tavaroista vedenpitäviä. Vuodelta 1736 on olemassa ranskalaisen tutkimusmatkailijan Charles Marie de la Condaminen kertomus Etelä Amerikan alkuasukkaiden vedenpitävistä astioita ja jalkineista. [57] Kumipuu (Hevea brasiliensis) on tunnetuin kumikasvilaji, jonka maitiaisnesteestä eli lateksista saadaan luonnonkumia. Lateksi on valkoista ja nestemäistä ja sitä kerätään puun kuoreen tehdyistä viilloista. Raaka luonnonkumi, kuten myös myöhemmin esiteltävä tekokumi, ovat tavallisesti väriltään valkoisesta ruskeaan (Kuva 1). Lateksia voidaan alkaa keräämään puun ollessa 6 7 vuotias. Kemialliselta nimeltään luonnonkumi on cis 1,4 polyisopreeni. Kumikasveja kasvaa trooppisilla alueilla ja alun perin kumipuu on peräisin Etelä Amerikasta. Nykyisin kumipuuta viljellään Etelä ja Väli Amerikassa, Kaakkois Aasiassa ja Afrikassa. Kumipuiden viljely on kasvanut myös Intiassa, Vietnamissa ja Kiinassa. Thaimaassa, Indonesiassa ja Malesiassa tuotetaan yhteensä noin 70 % maailman luonnonkumituotannosta. [55] Kuva 1. Raakakumi on väriskaalaltaan valkoisesta ruskeaan. [98]

10 Ensimmäisiä laajalti tunnettuja luonnonkumin käyttökohteita oli pyyhekumi. Vuonna 1770 englantilainen Joseph Priestley keksi, että luonnonkumista valmistetulla kappaleella voidaan poistaa lyijykynän jälkiä [58] [55]. Ennen vulkanoinnin keksimistä vuonna 1839 (Charles Goodyear) ei luonnonkumille ollut suurta kysyntää, koska se oli huonosti kulutusta kestävää ja hyvin lämpötilariippuvaista materiaalia. Vulkanoinnin ja erityisesti autojen renkaiden kehityksen tarpeen myötä raakakumin tarve kasvoi. Luonnonkumin kemiallisen rakenteen selvittyä alettiin selvittää pystyttäisiinkö kumia valmistamaan muustakin kuin luonnonkumista. Vuonna 1909 kemisti Friz Hofman patentoi synteettisen kumin valmistusmenetelmän, joka sopi teolliseen tuotantoon. Tämän jälkeen erityisesti molemmat maailmansodat edistivät synteettisen kumin valmistuksen kehittymistä. Synteettisen kumin arveltiin korvaavan luonnonkumin kokonaan, mutta näin ei ole käynyt. Syynä tähän on synteettisen kumin raaka aineena käytettävän öljyn hinta ja luonnonkumin tietyissä kohdin erilaiset ominaisuudet tekokumeihin verrattuna. [57] Nykyisin luonnonkumia tuotetaan yhteensä noin 9 miljoonaa tonnia vuodessa ja se on vähän yli 40 % kumin kokonaistuotannosta. Loput kumituotannosta ovat erilaatuisia synteettisiä tekokumeja. Luonnonkumin tuotannon ennustetaan nousevan tulevaisuudessa. Kumi on materiaalina hyvin ainutlaatuinen, sillä on kulutuskestävyyteensä nähden erinomaiset muodonmuutoskyvyt. Tavalliset kumilaadut voivat venyä jopa 500 % alkuperäiseen pituuteensa verrattuna ja silti palautua vielä ennalleen ilman vaurioita. On myös kumilaatuja, joilla on vieläkin suurempi muodonmuutoskyky. Hyperelastisiksi kutsutut laadut voivat pidentyä jopa 1000 % lepomitoistaan. Useiden kumilaatujen elastisuusominaisuudet säilyvät hyvin laajalla lämpötilavälillä esimerkiksi 50 +150 C. Tämä mahdollistaa kumien käytön sovellutuksissa, joiden käyttölämpötilat vaihtelevat runsaasti. Muun muassa juuri renkaat joutuvat usein toimimaan hyvinkin suurella lämpötilavälillä. [55] 2.2 Renkaan historia Autoilun alkuaikoina 1800 luvun loppupuolella oli luonnollista, että pyörinä käytettiin hevosvetoisista kärryistä tuttuja teräspintaisia pyöriä. Niiden ajomukavuus ja pito olivat heikkoja sekä meluisuus suuri. Näitä ominaisuuksia pyrittiin parantamaan pehmentämällä pyörän ja tien välistä kosketusta laittamalla erilaisia materiaaleja pyörien pintaan. Pyöriä

11 päällystettiin esimerkiksi nahalla tai kumilla. Tällöin huomattiin ensikerran kumin hyviä ominaisuuksia pyöränä ja umpikumirengas voidaan katsoa syntyneeksi. Luonnonkumista valmistetun renkaan ominaisuudet määräytyivät suurelta osin ympäröivän lämpötilan mukaan, mistä aiheutui monesti ongelmia renkaiden kanssa. Kesällä renkaat olivat tahmeita ja pehmeitä, mutta muuttuivat talvella koviksi ja hauraiksi. Lopulta vuonna 1839 ongelmaan saatiin ratkaisu, kun Charles Goodyear keksi kumin vulkanoinnin. Tätä voidaan pitää merkittävänä keksintönä renkaiden valmistuksen historiassa. Vulkanoimalla kumin lämpötilariippuvuus väheni ja siitä tuli joustavampaa ja sen muoto palautui aina alkuperäiseksi. Tämä keksintö lisäsi kumin käyttökohdemahdollisuuksia renkaiden lisäksi monessa muussakin käytössä. [55] Vuonna 1846 skotlantilainen rautatieinsinööri Robert William Thomson keksi ja patentoi ensimmäisenä ilmakumirenkaan. Rengas oli suunniteltu junan pyöräksi parantamaan matkustusmukavuutta ja vähentämään melua. Renkaan käyttötarkoitus oli rajattu ainoastaan rautatiekäyttöön. Ilmakumirenkaan tarve ei vielä tuolloin ollut riittävän suuri, eikä sitä pystytty hyödyntämään muualla. Uudelleen ilmakumirenkaan keksi ja patentoi eläinlääkäri John Boyd Dunlop vuonna 1888. Hänen keksintönsä oli tarkoitettu polkupyörän renkaaksi. Polkupyörä oli tuolloin yleistymässä tavallisen kansan kulkuvälineenä ja sitä kautta ilmakumirenkaalla oli hyvät mahdollisuudet menestyä, koska se paransi ajomukavuutta huomattavasti. Ilmakumirenkaiden käyttö yleistyikin polkupyörissä ja hevosvetoisissa vaunuissa. [2] [53] [54] Ensimmäisen vanteesta irrotettavan renkaan polkupyöriin keksi Edouard Michelin, joka patentoi sen vuonna 1891. Autoissa käytettiin kuitenkin vielä pitkään tämän jälkeen rakennetta, jossa renkaat oli pysyvästi kiinnitetty vanteisiin [2]. Ensimmäiset autoihin suunnitellut purettavat vanteet esiteltiin vuonna 1904. Tämä mahdollisti sen, että kuljettajat kykenivät itse korjaamaan puhjenneet renkaansa [56]. Vuonna 1910 B.F. Goodrich Company keksi pidempikestoisemmat renkaat, jotka saatiin aikaan lisäämällä kumiin hiiltä. [56] Ensimmäisten autojen kehityksen myötä kävi nopeasti ilmi ilmakumirenkaan merkittävästi paremmat ominaisuudet umpikumirenkaisiin verrattuna. Umpikumiset renkaat murenivat usein nopeasti eivätkä niiden kitkaominaisuudet ja ajomukavuus olleet kovin hyviä. Ilmakumirenkaat nostivat autojen matkustusmukavuuden kokonaan uudelle tasolle, kun ne

12 toivat joustavuutta jousittamattoman akselin alle ja kykenivät ylittämään tien pieniä epätasaisuuksia helposti [2]. Alun ilmakumirenkaiden kestävyys ei kuitenkaan ollut kovin hyvä ja puhkeamisia tapahtui usein. Luonnonkumista valmistettujen renkaiden kulutuskestävyyttä yritettiin lisätä mm. nahasta valmistetuilla suojuksilla, joiden pinnassa oli teräsnappeja kulutuskestävyyden parantamiseksi. Henkilöautoissa ilmakumirenkaita alettiin käyttää siis jo varhaisessa vaiheessa, mutta kuorma autoihin niistä ei vielä ollut heikon kantavuuden takia. Heikko kantavuus johtui renkaissa käytetyn puuvillakudoksen ominaisuuksista, jotka eivät riittäneet suurille kuormille. Vielä 1920 luvun alussakin kuorma autoissa käytettiin umpikumisia renkaita. 1920 luvulla renkaiden kehitys ja valmistus oli tullut siihen vaiheeseen, että käytössä oli runsaasti eri mitoituksella valmistettuja vaihtoehtoja. Tuolloin perustettiin ensimmäiset rengasnormijärjestöt, jotka pyrkivät luomaan yhdenmukaisen mitoituksen renkaille. Amerikassa perustettiin TRA (Tire and Rim Association) hoitamaan renkaiden mitoitusnormeja. Euroopassa on kaksi vastaavia rengasnormeja julkaisevaa järjestöä. ETRTO (European Tyre and Rim Tecnical Organisation) ja Pohjoismaissa STRO (Scandinavian Tyre and Rim Organisation), jotka perustettiin vuonna 1965. ETRTO:n normit ovat kattavammat ja STRO:n normit yhdenmukaisia niiden kanssa, mutta ne sisältävät vähemmän tietoa vanteista. Täydellisimmät rengasnormit on julkaistu amerikkalaisessa TRA normijärjestön normistossa. [1] 1930 luvun loppupuolella raion kuitua alettiin käyttää renkaan rungon kudosmateriaalina puuvillakuidun sijaan. Raion kuitu on selluteollisuudesta saatava jatkojaloste, joka on tunnettu myös nimellä silla. Raion säilyi noista ajoista asti renkaan kudosrungon tärkeänä tekstiiliraaka aineena. 1940 luvulla kudosrungon materiaaleihin tuli nailon, jolla on hyvä vetolujuus. Nailonin suuremmalla murtovenymällä saatiin parannettua renkaan kestävyyttä pistovoimia vastaan. Nailonin kutistuminen lämmetessään on renkaan kudosmateriaalille huono ominaisuus, sillä vastaavasti kylmään renkaaseen syntyy kudoksen laajenemisesta muotovirheitä. 1960 luvulla renkaan kudosmateriaalien joukkoon tuli polyesteri, joka oli ominaisuuksiltaan raionin ja nailonin välissä. Jo 1930 luvulta lähtien oli tekstiilikudosten ohessa käytetty terästä renkaan vahvikkeena. Renkaissa käytettävät teräskoordit on valmistettu kiertämällä vaijerin muotoon useita paksuudeltaan noin 0,2 mm luokkaa olevia säikeitä. Näin koordeista saadaan hyvin renkaan muodonmuutosten mukana taipuvia, mutta samalla niillä on erittäin suuri vetolujuus. Tultaessa edelleen kohti nykypäivää

13 alettiin renkaiden kudosrakenteissa käyttää vahvikkeena muun muassa lasia ja aramidia, joka on tunnetummalta kauppanimeltään kevlar [2]. Toisen maailmansodan aikaan luonnonkumista tuli pulaa ja Saksassa panostettiin tekokumin kehitykseen. Kehitetty buta kumiksi kutsuttu kumi muistutti monilta ominaisuuksiltaan luonnonkumia. Buta kumi tunnetaan oikealta nimeltään styreenibutadieenikumina ja se on yleisesti käytetty tekokumilaatu. Se on kohtalainen kulutuskestävyydeltään ja se on kitkaominaisuuksiltaan sopiva myös kulutuspintaan. Renkaan kudokset oli aseteltu kulkemaan ristikkäin renkaan jalka alueelta toiselle ja rengasta kutsuttiin tällöin ristikudosrenkaaksi (Kuva 2). Vuonna 1946 keksitty vyörengas oli seuraava merkittävä edistysaskel renkaiden kehityksen historiassa. Vyörenkaalla saatiin merkittävästi parempia kilometrituloksia kuin aikaisemmilla ristikudosrenkailla. Lisäksi vyörengas oli ajotuntumaltaan parempi ja sen vierinvastus matalampi, mikä vähensi polttoaineenkulutusta. Michelin toi vyörenkaan ensimmäisenä markkinoille vuonna 1947 ja se valtasi alaa nopeasti. Jo tuolloin käytettiin teräskudosta renkaan vyörakenteessa. Vuonna 1948 Goodrich kehitti ensimmäisen sisärenkaattoman ilmarenkaan, jota voidaan pitää nykyaikaisen autonrenkaan ensiversiona. Amerikan mantereella ristikudosrenkaita käytettiin vielä Eurooppaa pidempään, sillä olemassa olevaa renkaidenvalmistuslaitteistoa ei haluttu kustannussyistä uusia niin nopealla tahdilla. Vasta kun öljykriisin aikana 1970 luvulla Euroopassa valmistettuja autoja vietiin Amerikkaan, kulkeutui niiden mukana myös vyörengas hyvine ominaisuuksineen kansan käyttöön. Tämän jälkeen vyörengas valtasi myös nopeasti Amerikan rengasmarkkinat. Kuva 2. Vasemmalla ristikudosrenkaan ja oikealla vyörenkaan rakenne. [99]

14 Renkaiden tasapainottamiseen alettiin kiinnittää huomiota, kun autojen nopeudet alkoivat kasvaa ja epätasapaino aiheutti epämiellyttäviä tärinöitä. Ensimmäiset tasapainotukset tehtiin selvittämällä renkaan raskain kohta painovoiman avulla ja lisäämällä painoja sopiva määrä vastakkaiselle puolelle. Näin rengas saatiin staattisesti tasapainoon. Myöhemmin tulivat erilaiset keksinnöt tasapainotuskoneista, joiden avulla saatiin suoritettua entistä tarkempia tasapainotuksia ja myös dynaaminen tasapainotus. Nykyaikainen raskaan kaluston rengas on pitkän kehityshistorian luoma tulos. Sen painosta noin 40 % koostuu erilaisista kumilaaduista. Erityyppisissä renkaissa käytetyn kumin määrä vaihtelee. Tavallisesti noin kolme neljäsosaa kumista on luonnonkumia ja loput synteettisiä tekokumeja. Synteettisiä kumeja käytetään, koska niiden ominaisuuksia pystytään säätelemään valmistuksessa. Synteettisillä kumeilla esimerkiksi saavutetaan halutut kitkaominaisuudet tai kulutuskestävyys. Niiden materiaalille ominaiseen leikkauslujuuteen pystytään vaikuttamaan, millä on merkitystä esimerkiksi renkaan kulutuspinnassa tai kylkialueilla. Hiili on myös yksi keskeinen tekijä renkaan ominaisuuksia luotaessa. Renkaan painosta on noin 30 % erittäin hienojakoista hiiltä. Hiilellä saadaan kumiin runsaasti lisää lujuutta ja kulutuskestävyyttä. Hiili myös suojaa kumia auringon ultraviolettisäteilyn vaikutuksilta. Loput renkaan painosta on erilaisia kangas ja teräskudoksia. [95] Suurin osa nykyaikaisen renkaan ominaisuuksista perustuu juuri kumin poikkeuksellisiin ominaisuuksiin materiaalina. Nämä samaiset rengaskäytössä hyvät ominaisuudet tekevät renkaan valmistusprosessista vaativan. Jotta lopputulos olisi hyvä ja täyttäisi nykyajan vaatimukset raskaita kuormia ja suuria nopeuksia sekä energiataloudellisuutta ajatellen, on valmistusprosessi erittäin tarkoin suunniteltu. Lopuksi rengas käy läpi vielä useita tarkastuksia ja mittauksia ennen kuin se lähtee tehtaalta.

3 RASKAAN KALUSTON RENKAAT 15 3.1 Renkaiden jaottelu ja käyttökohteista riippuvat erot Raskaaseen kalustoon luetaan kuuluvaksi kuorma autot ja niiden perävaunut sekä linjaautot. Kyseisiä ajoneuvoja käytetään hyvinkin erilaisissa käyttöympäristöissä. Käyttökohteissa on niin laaja kirjo, että usein itse raskaat ajoneuvotkin valmistetaan asiakkaalle räätälöityinä tilauksina. Tällainen laaja käyttöympäristöjen kirjo luo myös renkaille hyvinkin poikkeavia vaatimuksia. Esimerkiksi raakapuun kuljetuksiin käytettävän auton rengastukselta vaaditaan huomattavan erilaisia ominaisuuksia kuin kaupunkiliikenteessä olevalta bussilta. Tämä on saanut aikaan sen, että raskaalle kalustolle on tarjolla runsaasti erilaisia rengasvaihtoehtoja. Kuhunkin renkaaseen on pyritty tekemään parhaat mahdolliset ominaisuudet käyttöympäristöjen mukaan. Raskaan kaluston rengasesitteissä onkin lähes poikkeuksetta taulukoita mihinkä käyttöön kukin rengas parhaiten sopii. Silmämääräisesti havaittava ero on useimmiten kulutuspinnan kuviointi, joka vaihtelee käyttöympäristön mukaan. Käyttöympäristösuunnittelu vaikuttaa moniin renkaan ominaisuuksiin, jotka eivät näy päällepäin. Esimerkiksi louhoksella käytettävän maansiirtoauton kulutuspinnan tulee kestää teräviä pistovoimia ja linja autoissa puolestaan renkaan kylkialueen katukivetysten kosketuksia. Juuri käyttöympäristön erikoisvaatimukset määräävät pitkälti rengasvalinnan, vaikka suurin osa auton ajosuoritteesta tulisikin muussa ympäristössä. Esimerkiksi maansiirto tai puutavara ajossa tulee renkaiden soveltua myös maastossa ajamiseen, vaikka lopulta suurin osa kilometreistä kertyy todennäköisesti maantieajosta. Rengasvalinnalla voi olla suuri merkitys renkaista aiheutuviin välillisiin ja välittömiin kustannuksiin. Jos renkaita käytetään erilaisessa ympäristössä kuin mihin ne on suunniteltu, ovat suurempi kuluminen ja vauriot todennäköisempiä [59]. Pelkästään käyttöympäristö ei vielä määrää sopivinta rengasvalintaa, vaan renkaat voidaan vielä jakaa sijoituskohtansa mukaan kolmeen eri ryhmään. Näitä ovat ohjaavalle, vetävälle ja rullaavalle akselille sijoitettavat renkaat. Tällaiseen jaotteluun on päädytty, koska raskaassa kalustossa auton eri akseleilla olevilta renkailta vaaditaan erilaisia ominaisuuksia. Niitä ei useimmiten pystytä järkevästi toteuttamaan kompromissiratkaisuilla. Eri sijoituskohtien vaatimuksilla on suurin näkyvä ero renkaan kulutuspinnan kuviointiin (Kuva 3).

16 Kuva 3. Eri akseleille tarkoitetun renkaan kulutuspinnan kuviointi vaihtelee suuresti. Vasemmalta lukien ohjaavalle, vetävälle ja rullaavalle akselille suunnitellut renkaat. [101] Ohjaavan akselin renkaan tulee olla hyvä vierintäominaisuuksiltaan ja kuvioltaan sellainen, että sillä on mahdollista luoda helposti ohjaavia voimia. Tällaisen renkaan urat ovatkin pitkittäissuuntaisia. Ohjaavilla akseleilla käytetään aina yksittäisiä renkaita. Raskaassa kalustossa saattaa olla useita ohjaavia akseleita. Erityisesti maansiirto ja sorakuljetuksiin tarkoitetuissa kuorma autoissa on usein kaksi ensimmäistä akselia ohjaavia. Auton telissä voi myös olla ohjaava akseli. Esimerkiksi pitkissä kaupunkiliikenteen busseissa on telin takimmainen akseli usein kääntyvä. Suuremmalla akselimäärällä saadaan lisättyä kantavuutta ja ohjaavalla akselilla kääntyvyys paranee runsaasti jäykkään verrattuna. Vetävällä akselilla puolestaan tarvitaan hyvää pitoa pitkittäissuunnassa ja renkaassa onkin lähes poikkeuksetta palakuviointi. Poikittaisilla urilla saadaan parannettua pitkittäispitoa, joka on tärkeä raskaalla ajoneuvolla liikkeelle lähdettäessä huonoissa keliolosuhteissa. Rullaavan akselin ja perävaunujen renkailla tulee olla alhainen vierinvastus, jotta turha energiankulutus olisi mahdollisimman vähäistä. Pintakuvioinneissa tulee huomioida, etteivät ne aiheuta turhaan ylimääräisiä värähtelyitä. Esimerkiksi vetävän renkaan palakuvioinnista syntyy tasaista enemmän ajomelua. Raskaassa kalustossa harvoin pystytään käyttämään samaa rengastusta kaikilla akseleilla. Rengasvalmistajilta on kuitenkin saatavissa malleja, jotka soveltuvat käytettäväksi kaikilla akseleilla [88]. Esimerkiksi joissakin kaupunkiliikenteeseen tarkoitetuissa busseissa, voi tällaisen rengastuksen käyttö olla mahdollista. Kaikkia renkaita yhdistää tavoite mahdollisimman matalaan vierinvastukseen ja suureen kilometritavoitteeseen. [52]