CC BY
45
УДК 629.113.001
АНАЛИЗ МЕХАНИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛАСТИЧНОЙ ШИНЫ С ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОПОРНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ БЕГОВОГО БАРАБАНА ДИАГНОСТИЧЕСКОГО СТЕНДА
А. И.Федотов, А. В. Бойко, Ле Ван Луан
Аннотация. В статье произведен анализ механики взаимодействия эластичной шины с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана диагностического стенда, в сравнении с механикой её взаимодействия с плоской опорной поверхностью.
Ключевые слова: пятно контакта; распределенная нормальная нагрузка; распределенная касательные нагрузка; эластичная шина; цилиндрическая опорная поверхность; стенды с беговыми барабанами; коэффициент сцепления.
Введение
Силовое взаимодействие эластичной шины с опорной поверхностью, как известно, во многом определяется величиной
коэффициента сцепления. С точки зрения физики коэффициенты сцепления шины с плоской и цилиндрической опорной поверхностью, имеющими одинаковое покрытие, должны быть равными. Однако, как пишет журнал «Автотранспортное
предприятие» [2]: «Предлагаемые различными фирмами стенды для оценки технического состояния тормозной системы при проведении государственного технического осмотра, например, моделей ЛТК и стационарных стендов моделей СТС Новгородского завода ГАРО и зарубежной фирмы «Cartec» не могут дать объективные показатели поведения в транспортном потоке».
Проведенные исследования на кафедре «Автомобильный транспорт» Национального Исследовательского Иркутского
государственного технического университета подтвердили низкое качество оценки технического состояния тормозной системы автомобилей при их диагностике на стендах с беговыми барабанами. Исследование повторяемости измерений показали, что измеренные 40 раз подряд значения тормозных сил одного и того же автомобиля TOYOTA-COROLLA, на одном и том же стенде СТМ-3500 варьируется в диапазоне +27,9%. Значения удельной тормозной силы варьируется в диапазоне +20% [4].
Основная часть
Для выявления причин несоответствия результатов проверки технического состояния автомобиля в процессе стендовых и дорожных испытаний, был проведен анализ механики взаимодействия эластичной шины с плоской и цилиндрической опорной поверхностью.
Экспериментальные исследования
проводились с помощью экспериментального комплекса, устройство и работа которого подробно описана в [5, 6, 7]. Исследования проводились с шиной AMTEL-175/65 R14, (давление в шине Рда= 0,21 МПа; нормальная нагрузка Rz = 3150 Н), при качение колеса по цилиндрической опорной поверхности бегового барабана диаметром 0,24 мм со скоростью 4 км/ч.
Проведенные эксперименты показывают, что для данной шины под действием тормозного момента происходит изменение длины пятна контакта рисунок 1. В случае увеличения продольной касательной силы (тормозной) происходит увеличение длины пятна контакта эластичной на 2,8 мм, т.е. на 5,7 % от длины пятна контакта эластичной шины при качении колеса в ведомом режиме рисунок 1. Величина максимального значения распределенной нормальной нагрузки уменьшается на 25 Н/мм, что составляет более 19 %, от максимального значения распределенной нагрузки в режиме качения колеса в ведомом режиме, рисунок 1.
АК.,Н/ии
О 10 20 30 40 1,,чч
т
Длина пятна контакта
___Ь = 49 мм_э
1= 51,8 мм
Рис.1. Распределение нормальных нагрузок по длине пятна контакта при качении эластичной
шины (AMTEL-175/65 R14; давление в шине Р,«= 0,21 МПа; нормальная нагрузка Rz = 3150 Н) по цилиндрической опорной поверхности (диаметр бегового барабана 0,24 м): 1- в ведомом режиме; 2 - в тормозном режиме (продольная тормозная сила Rx = 2050 Н)
Проведенные исследования позволили установить, что наблюдается определенный сдвиг вперед продольной касательной распределенной нагрузки по отношению к нормальной распределенной нагрузки по длине пятна контакта при качении эластичной шины по цилиндрической опорной поверхности в тормозном режиме рисунке 2. ДИ.Н/мм
G4
X
>>
£.
1ч
Я
<U
С
я Си
120
80
40
ARZ
1
0 10 20 30 40 50 Ь,мм
Длина пятна контакта
Рис. 2. Распределение нормальных и продольных касательных нагрузок по длине пятна контакта при качении колеса с эластичной шиной по цилиндрической опорной поверхности (диаметр бегового барабана 0,24 м) в тормозном режиме (продольная тормозная сила Rx = 2050 Н, марка шины AMTEL-175/65 R14, давление в шине Р,«= 0,21 МПа; нормальная нагрузка Rz = 3150 Н)
Определенный сдвиг вперед продольной касательной распределенной нагрузки по отношению к нормальной распределенной нагрузки по длине пятна контакта при качении
эластичнои шины по цилиндрическои опорной поверхности в тормозном режиме наблюдается и у других типов шин, например, Yokohama Decibel, рисунке 3.
AR,II/MM
160
к
я = -
ЕЕ «
¡и >£
Ч £
й S1 а
£
Р 5
о в Си
120
80
40
0
ДНт
у
> \
у
V
О
10 20 30 40 L, мм
Длина пятна контакта
Рис. 3. Распределение нормальных и продольных
касательных нагрузок по длине пятна контакта при качении эластичной шины (Yokohama Decibel 205/65R 15; давление в шине Pw= 0,21 МПа; нормальная нагрузка Rz = 3150 Н) по цилиндрической опорной поверхности (диаметр бегового барабана 0,24 м) в тормозном режиме (продольная тормозная сила Rx = 2145 Н)
Чтобы определить, как влияет смещение вперед продольной касательной
распределенной нагрузки по отношению к нормальной распределенной нагрузки по длине пятна контакта на продольную тормозную силу, определим коэффициент сцепления по длине пятна контакта.
9 =
ARx
AR,
(1)
Полученные результаты позволили установить, что в тормозном режиме в начале пятна контакта коэффициент сцепления может достигать значения более единицы, полученные результаты представлены на рисунке 4.
Нормальная реакция со стороны бегового барабана или от плоской опорной поверхности определяется по формуле [1]:
RX = J ARZdx .
(2)
Касательная реакция в пятне контакта шины с опорной поверхностью любого профиля определяется по формуле [1]:
RX = jARXdx.
(3)
X
Зависимости коэффициента сцепления эластичной шины с цилиндрической опорной поверхностью стенда и дороги определялась по формуле [8]:
9 =
Я
Я
(4)
Результат, полученный по формуле (4) позволил определить коэффициент сцепления колеса с эластичной шиной, который составляет 0,65, на цилиндрической опорной поверхности для колеса с эластичной шиной (марка Amtel фирмы AMTEL-175/65 R14, диаметр бегового барабана 0,24 м, нормальная нагрузка Rz= 3150 Н, давление в шине Рда= 0,21 МПа).
9
и
8 а я
-е--ел о
м
ф 1 0,8 0,6 0,4
ш.
\
\
0 10 20 30 40 50 Длина пятна контакта
Ь,, мы
Рис. 4. Зависимость коэффициента сцепления колеса с эластичной шиной (марка AMTEL-175/65 Р14) с цилиндрической опорной поверхностью
бегового барабана по длине пятна контакта (диаметр бегового барабана 0,24 м, нормальная нагрузка Rz= 3150 Н, давление в шине Р,«= 0,21МПа)
Результаты исследования, выполненные распределение нормальных и продольных касательных нагрузок по длине пятна контакта при качении эластичной шины по плоской поверхности дороги в тормозном режиме (рисунок 5.) показывают, что величина распределенной продольной касательной нагрузки по длине пятна контакта смещена на зад по отношению к нормальной распределенной нагрузки по длине пятна контакта.
«
Ш п
150 £ 40
АК, Н/мм
5 30 я
£ 20
ч
Э 10 о
Ем =
и и Рч
АКг
/
дк,
О 10
30 50 70 90 110 Ь, мм Длина пяти» контакта Рис.5. Распределение нормальных и продольных касательных нагрузок по длине пятна контакта при качении колеса с эластичной шиной по плоской
поверхности дороги в тормозном режиме (нормальная реакция Rz = 3100 Н; продольная тормозная сила Rx = 1350 Н; марка шины AMTEL-175/65 R14; давление в шине Рж= 0,21МПа)
Результаты исследований позволили установить, что в тормозном режиме в конце пятна контакта коэффициент сцепления может достигать значения более единицы (выполненные расчеты по формуле 1), полученные результаты представлены на рисунке 6, коэффициент сцепления эластичной шины, полученный по формуле (4) составляет 0,44.
ф
-ел о
и
10 8 6 4
2 О
о 10 30 50 70 90 110 I , мм Длина пятна контакта
Рис. 6. Зависимость коэффициента сцепления колеса с эластичной шиной (марка AMTEL-175/65 R14) с плоской опорной поверхностью дороги по длине пятна контакта (нормальная нагрузка Rz= 3104 Н, давление в шине Рж= 0,21МПа)
Заключение
Результаты проведенного исследования позволили установить, что при одинаковом качестве покрытия плоской и цилиндрической опорной поверхности, величина
реализованного коэффициента сцепления эластичной шины будет значительно отличаться в пользу цилиндрической опорной поверхности.
Таким образом, реализованный коэффициент сцепления эластичной шины зависит не только от качества покрытия опорной поверхности, типа рисунка протектора и давления в ней, но и таких параметров, как кривизна опорной поверхности.
Библиографический список
1. Бойко А. В., Математическая модель для расчета нормальных и касательных напряжений в пятне контакта эластичной шины с дорогой и беговым барабаном диагностического стенда. // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2012. - № 11 (70). - С. 128-132.
2. Кулько П. А. Ушаков К. В. Государственный технический осмотр. Проблемы и решения. // Автотранспортное предприятие. - 2005. - № 9 . -С.15-19.
3. Федотов А. И., Бойко А. В. Эффективность стендовых методов контроля тормозных систем автомобилей в условиях эксплуатации./Сборник трудов. II международная научно-практическая конференция «Проблемы диагностики и
эксплуатации автомобильного транспорта» Иркутск: ИрГТУ. 2009 г. - С.115 - 125.
4. Федотов А. И., Бойко А. В. и д.р. О повторяемости измерении параметров процесса торможения автомобиля на стенде с беговыми барабанами. // Вестник Иркутского государственного технического университета. -2008. - Т. 33. № 1. - С. 63-71.
5. Федотов А. И., Бойко А. В., Халезов В. П. Экспериментальный комплекс для исследования процессов происходящих в пятне контакта эластичной шины с беговым барабаном и дорогой. Сборник статей III всероссийской научно-практической конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири», Иркутск: ИрГТУ, 11-12 апреля 2013 г. С.174-180.
6. Федотов А. И., Бойко А. В., Халезов В. П. Комплекс для исследования взаимодействия в пятне контакта шины с поверхностью бегового барабана и дороги. III Международная научно-практическая конференция «Проблемы диагностики и эксплуатации автомобильного транспорта» г. Иркутск: НИ ИрГТУ 31 мая - 2 июня 2011 г. С.218-223.
7. Федотов А. И., Бойко А. В., Халезов В. П. Экспериментальные исследования процесса взаимодействия эластичного колеса с беговым барабаном и дорогой. // Вестник Иркутского государственного технического университета.-2012. - Т. 68. № 9. - С. 157-163.
8. Pacejka H.B. Some recent investigations into dynamics and frictional behavior of pneumatic tires // Phys. Tire tract. Theory and Exp. - New - York -London. - 1974.
ANALYSIS OF THE MECHANICAL INTERACTION BETWEEN ELASTIC TIRES WITH THE
CYLINDRICAL SURFACE OF THE CHASSIS DYNAMOMETER TEST BED
A. I. Fedotov, A. V. Boiko, Le van Luan
The article has analyzed the mechanical interaction between elastic tires with the cylindrical surface of the chassis dynamometer test bed, in comparison to that of the tires with flat surface.
Keywords. Contact patch, normal distributed load, tangential distributed load, elastic tire, cylinder-supporting surface, chassis dynamometer test beds, the coefficient of cohesion.
Bibliographical list
1. Boiko A. V., Mathematical model to calculate normal and tangential shearing stresses in elastic tire contact patch with road and chassis dynamometer test bed. // Vestnik of Irkutsk State Technical University. - 2012. - № 11 (70). - P. 128-132.
2. Kulko P. A. Ushakov K. V. State Technical inspection. Problemsanddecisions // Motorcompany -2005. - № 9 09. - P. 15-19
3. Fedotov A. I., Boiko A. V. Efficiency of control methods bench brake systems in operation. /
Proceedings. II International Scientific and Practical Conference "Problems of diagnosis and operation of the vehicular transports". Irkutsk: Istu. 2009. - p.115 - 125)
4. Fedotov A. I., Boiko A. V.,Potapov A. S. About repetition of measuring parameter of braking process of vehicle in chassis dynamometer test bed.// Vestnik of Irkutsk State Technical University. - 2008. - № 1. -P. 63-71.
5. Fedotov A. I., Boiko A. V., Halezov V. P. Experimental complex for analysis of process in elastic tire contact patch with road and chassis dynamometer test bed. Collection of articles III All-Russian theoretical and practical Conference "air-machine construction and transport Siberia", Irkutsk: Istu, 11-12 /04/ 2013. P.174-180
6. Fedotov A. I., Boiko A. V., Halezov V. P. Complex for analysis of interaction in elastic tire contact patch with chassis dynamometer test bed and road. III International theoretical and practical Conference "Problems of diagnosis and operation of the vehicular transports", Irkutsk: ISTU 31.05- 2.06 2011. p.218-223.
7. Fedotov A. I., Boiko A. V., Halezov V. P. Experimental analysis of process interaction in elastic tire contact patch with chassis dynamometer test bed and road. // Vestnik of Irkutsk State Technical University. - 2012. - № 9. - P. 157-163.
8. Pacejka H. B. Some recent investigations into dynamics and frictional behavior of pneumatic tires // Phys. Tire tract. Theory and Exp. - New - York -London. - 1974.
Федотов Александр Иванович - доктор технических наук, профессор кафедры «Автомобильный транспорт» Иркутский государственный технический университет. Основное направление научных исследований: Диагностика автомобилей на основе компьютерных технологий. Общее количество публикаций - 210. E-mail: fai@istu.edu
Бойко Александр Владимирович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобильный транспорт» Иркутский государственный технический университет. Основное направление научных исследований: Научные основы процессов взаимодействия эластичных шин с беговыми барабанами стендов при диагностировании автомобилей, их агрегатов и систем. Общее количество публикаций - 54. E-mail: veator@ramler.ru
Ле Ван Луан - аспирант кафедры «Автомобильный транспорт». Иркутский государственный технический университет. Основное направление научных исследований: Повышение качества контроля сцепления автомобильных шин с поверхностью беговых барабанов в условиях эксплуатации.Общее количество публикаций - 6. E-mail: levanluan2008@mail. ru.
