Экспериментальное исследование процесса взаимодействия эластичной шины автомобильного колеса с опорными роликами диагностического стенда Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629. 113.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛАСТИЧНОЙ ШИНЫ АВТОМОБИЛЬНОГО КОЛЕСА С ОПОРНЫМИ РОЛИКАМИ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО СТЕНДА

© О.С. Яньков1

Иркутский национальный исследовательский технический университет 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведены результаты экспериментального исследования процесса взаимодействия эластичной шины автомобильного колеса с двумя опорными роликами диагностического стенда. Установлено, что величина нормальных и продольных касательных реакций зависит от положения колеса относительно опорных роликов стенда. При смещении колеса происходит увеличение нормальной и продольной касательной реакций опор, распределенных по длине пятна контакта на ролике, в сторону которого смещено испытуемое колесо. Кроме того, установлено, что при торможении жестко закрепленного колеса на двух опорных роликах возникает некоторое кинематическое рассогласование, которое приводит к колебаниям значений нормальных и продольных касательных реакций. Ключевые слова: диагностирование; пятно контакта; эластичная шина; диагностические стенды, смещение колеса; радиус качения колеса в ведомом режиме.

EXPERIMENTAL STUDY OF THE WHEEL ELASTIC TIRE INTERACTION WITH TEST BENCH SUPPORT ROLLERS O.S. Iankov

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article introduces the results of the experimental research of the interaction between vehicle elastic tires and two support rollers of a test bench. It is found that the value of normal and longitudinal tangential reactions depends on the position of the wheel relative to the test bench support rollers. The offset of the wheel increases the normal and longitudinal tangential reactions of supports distributed by the length of the contact patch on the roller towards which a tested wheel is offsetted. Besides, braking of the wheel that is rigidly fixed on two support rollers causes some kinematic disparity that results in the fluctuations of the values of the normal and longitudinal tangential reactions. Keywords: diagnosis; contact patch; elastic tire; test benches; wheel offset; wheel rolling radius in a slave mode.

Наиболее эффективным контролем тормозных систем автотранспортных средств в условиях российского климата следует считать стендовые испытания. Однако, как пишет журнал «Автотранспортное предприятие», 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 Саг1ес, не могут дать объективные показатели поведения в транспортном потоке [2]. Причиной тому служит ряд факторов.

Во-первых, механика взаимодействия колеса с опорной поверхностью реальной дороги существенно отличается от механики взаимодействия колеса с опорными роликами диагностического стенда [3].

1

Яньков Олег Сергеевич, аспирант, e-mail: [email protected] Iankov Oleg, Postgraduate, e-mail: [email protected]

Во-вторых, в процессе диагностирования возникают продольные перемещения автомобиля [1, 4], которые вносят значительные погрешности измерения тормозных сил. При этом возникает разница в значениях кинематических параметров колеса автомобиля относительно переднего опорного ролика и относительно заднего опорного ролика. Обусловливается это тем, что при постановке автомобиля на стенд невозможно добиться параллельности осей его колес и осей опорных роликов стенда. Кроме того, при диагностировании тормозной системы АТС на стенде со спаренными опорными роликами колесо под действием продольных касательных реакций сдвигается в сторону заднего опорного ролика [6].

В целях углубленного изучения процесса взаимодействия колеса с двумя цилиндрическими спаренными опорными поверхностями автором проведены экспери-

ментальные исследования процесса взаимодействия эластичной шины с двумя опорными роликами диагностического стенда.

Для исследования был использован специально разработанный исследовательской группой ученых кафедры автомобильного транспорта измерительный комплекс с установленной на нем шиной марки «Amtel Plаnet DC» 175/72 R13 82 Н. Испытательный стенд позволяет измерить нормальные и продольные касательные реакции, распределенные по длине пятна контакта шины с опорной поверхностью, а также получить зависимости радиуса качения колеса в ведомом режиме от нормальной реакции, действующей на испытуемое колесо, и от продольного смещения колеса относительно опорных роликов [5].

Экспериментальное исследование производилось при постоянном давлении воздуха в шине р = 0,21 МПа, и при значении нагрузки на колесо = 4400 Н в трех режимах:

1) исследование процесса взаимодействия колеса с двумя опорными роликами стенда без начального продольного смещения колеса относительно оси симметрии роликов (а = 0 мм, рис. 1);

2) исследование процесса взаимо-

действия колеса с двумя опорными роликами стенда с начальным продольным смещением колеса относительно оси симметрии роликов на расстояние а = 10 мм (рис. 1);

3) исследование процесса взаимодействия колеса с двумя опорными роликами стенда с начальным продольным смещением колеса относительно оси симметрии роликов на расстояние а = 20 мм (рис. 1).

Для получения зависимости нормальных и продольных касательных реакций от проскальзывания колеса авторами были проведены экспериментальные исследования по определению радиуса качения колеса в ведомом режиме гк в зависимости от величины смещения а и при постоянной нагрузке на колесо Ок = 4400 Н (рис. 2).

Как видно из графика, начала линий 1 и 2 лежат в одной точке, соответствующей значению радиуса колеса при смещении а = 0 мм. В этом случае ось вращения колеса совпадает с осью симметрии роликов стенда (см. рис. 1). При этом радиусы качения колеса относительно переднего и

заднего опорных = 0,2702 м.

роликов

r =

r =

Рис. 1. Схема положения колеса относительно опорных роликов диагностического стенда: 1 - испытуемое колесо; 2 - ось симметрии стенда; 3 - задний опорный ролик; 4 - цепная передача; 5 - передний опорный ролик; а - величина смещения колеса относительно оси симметрии роликов

стенда; Ок - нормальная нагрузка на колесо; г - радиус качения колеса в ведомом режиме на переднем опорном ролике; - радиус качения колеса в ведомом режиме на заднем опорном ролике; Г - свободный радиус колеса; - угловая скорость колеса; юР - угловая скорость опорных

роликов

При торможении колеса на двух цилиндрических поверхностях оно перемещается в сторону заднего опорного ролика. Радиус качения колеса в ведомом режиме ^ уменьшается (линия 2, рис. 2), а радиус

Г (линия 1, рис. 2) увеличивается.

Значения радиусов качения колеса в ведомом режиме были использованы при вычислении проскальзывания Э колеса относительно каждого опорного ролика по следующей формуле:

5 = 1 -

rP -aP

(1)

где гк - значение радиуса качения колеса в ведомом режиме и гр - радиус опорного ролика; ск, ор - угловая скорость колеса и

опорного ролика.

Полученные значения реализованных нормальной и продольной касательной реакций представлены на рис. 3 и 4 соответственно.

Из графиков на рис. 3 и 4 видно, что значения величин (кривые 1 на рис. 3, 4), соответствующих нормальной и касательной реакций на заднем опорном

ролике, несколько выше значений величин (кривых 2 на рис. 3, 4), соответствующих нормальной и касательной Ях реакций на переднем опорном ролике. Наибольшая разница значений нормальной реакции (рис. 3) составляет Яг = 2440 Н

при значении проскальзывания Э = 0,031. Это говорит о том, что колесо имеет некоторое смещение относительно оси симметрии стенда. Наибольшая разница значений продольной касательной реакции (см. рис. 4) составляет Ях = 3945 Н при значении

проскальзывания Э = 0,896. Причина изменения нормальных реакций от величины проскальзывания объясняется перемещением колеса по роликам стенда под действием тормозных сил.

При дальнейшем смещении колеса на расстояние а = 10 мм наибольшая разница нормальной реакции (рис. 5) составляет Я2 =5566 Н при значении проскальзывания колеса относительно переднего опорного ролика ЭП = 0,010 и при значении проскальзывания колеса относительно заднего опорного ролика Эз = 0,019.

Радиус 0,2750

качения колеса

в ведомом 0,2740

режиме

гк, м 0,2730

0,2720

0,2710

0,2700

0,2690

0,2680

- 0,2747

1

К%2718 2

0^701—" 0Д694~*

0,2685

О 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025

Смешение колеса относительно опорных роликов а, м

Рис. 2. Графики зависимостей радиуса качения колеса в ведомом режиме гк от смещения колеса относительно оси симметрии опорных роликов стенда а: 1 - радиус качения колеса в ведомом режиме гк на переднем опорном ролике; 2 - радиус качения колеса в ведомом режиме ^

на заднем опорном ролике

Рис. 3. Графики зависимостей нормальных реакций RZ от проскальзывания S без смещения колеса относительно опорных роликов: 1 - график нормальной реакции на заднем опорном ролике;

2 - график нормальной реакции Я2 на переднем опорном ролике

Рис. 4. Графики зависимостей продольной касательной реакций опоры RХ от проскальзывания S без первоначального смещения колеса относительно опорных роликов: 1 - график продольной

касательной реакции на заднем опорном ролике; 2 - график продольной касательной реакции

Ях на переднем опорном ролике

Наибольшая разница значений продольной касательной реакции (рис. 6) составляет = 6114 н при значении проскальзывания колеса относительно переднего опорного ролика вП = 0,895 и при значении проскальзывания колеса относи-

тельно заднего опорного ролика вз = 0,896. Разница в значениях проскальзывания колеса относительно переднего вП и заднего вз опорных роликов обусловливается изменением значения радиуса качения при смещении колеса. Максимальная разница проскальзывания составляет Лв = 0,0094.

Рис. 5. Графики зависимостей нормальной реакции Rz от проскальзывания S при первоначальном смещении колеса относительно опорных роликов на расстояние а = 10 мм: 1 - график нормальной реакции Я2 относительно заднего опорного ролика; 2 - график нормальной реакции относительно переднего опорного ролика

Смещение первоначального положения колеса на расстояние а = 20 мм показывает несколько другие результаты. При такой величине смещения колесо начинает взаимодействовать с опорным роликом только в диапазоне проскальзывания от вП = 0,045 до вП = -0,091, что соответствует ведомому режиму качения колеса. В установившемся режиме торможения колесо взаимодействует лишь с задним опорным роликом из-за продольного перемещения колеса по роликам стенда.

В этом случае наибольшая разница значений нормальной реакции (рис. 7) составляет Я2 = 8276 Н при значении проскальзывания колеса относительно переднего опорного ролика вП = 0,015 и при значении проскальзывания колеса относительно заднего опорного ролика вз = 0,037. Наибольшая разница значений продольной касательной реакции (рис. 8) составляет Ях = 3275 Н при значении проскальзывания колеса относительно переднего опорного ролика вП = 0,015 и при значении проскальзывания колеса относительно заднего

опорного ролика вз = 0,037. Разница в значениях проскальзывания колеса относительно переднего вП и заднего вз опорных роликов обусловливается изменением значения радиуса качения колеса в ведомом режиме при смещении колеса. Максимальная разница величины проскальзывания составляет Лв = 0,025.

В процессе взаимодействия эластичной шины автомобильного колеса с двумя опорными роликами присутствует некоторое кинематическое рассогласование, которое вызывает колебание шины колеса, и, как следствие, на осциллограмме записи сигнала наблюдается некоторое колебание значения величины нормальной реакции (рис. 9).

Результаты проведенного экспериментального исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Величина нормальной Я2 и реализованной продольной касательной Ях

реакций на заднем опорном ролике выше нормальной Яг и касательной реакций опор на переднем опорном ролике

Рис. 6. Графики зависимостей продольной касательной реакции RХ от проскальзывания S при первоначальном смещении колеса относительно опорных роликов на расстояние а = 10 мм:

1 - график продольной касательной реакции относительно заднего опорного ролика; 2 - график продольной касательной реакции Ях относительно переднего опорного ролика

Рис. 7. Зависимость нормальной реакции Rz от проскальзывания S при первоначальном смещении колеса относительно опорных роликов на расстояние а = 20 мм: 1 - изменение нормальной реакции

Я

2 относительно заднего опорного ролика; 2 - изменение нормальной реакции Я2п

переднего опорного ролика

относительно

Рис. 8. Зависимость продольной касательной реакции RХ от проскальзывания S при первоначальном смещении колеса относительно опорных роликов на расстояние а = 20 мм: 1 - изменение продольной

касательной реакции относительно заднего опорного ролика; 2 - изменение продольной касательной реакции Ях относительно переднего опорного ролика

Рис. 9. Осциллограмма записи сигнала реализованной нормальной реакции Я2^, распределенной по длине пятна контакта на заднем опорном ролике, полученной в ходе экспериментального исследования: 1 - максимальное значение реализованной нормальной реакции Яг , распределенной

по длине пятна контакта; 2 - минимальное значение реализованной нормальной реакции Я ,

распределенной по длине пятна контакты

(рис. 3, 4) при первоначальном качении колеса со смещением а = 0 мм. Таким образом, наибольшая разница нормальных реакций (рис. 3) составляет Я2 = 2440 Н. Наибольшая разница касательных реакций (рис. 4) составляет Ях = 3945 Н. Такое

различие в полученных результатах обусловливается тем, что при торможении колеса передний активный ролик догружает

колесо, увеличивая значения нормальной реакции на пассивном опорном ролике. При торможении шина сильнее прижимается к заднему, пассивному опорному ролику, набегая на него, что способствует увеличению нормальной реакции и, как следствие, продольной касательной реакции. Постепенное увеличение смещения колеса в сторону заднего опорного ролика лишь

усиливает этот фактор и в конечном итоге приводит к отрыву колеса от поверхности переднего опорного ролика и одновременно к максимальному повышению нормальной реакции на заднем ролике (рис. 7).

2. При качении колеса по двум опорным роликам имеет место некоторое кинематическое рассогласование, которое приводит к колебаниям значений нормальных и продольных касательных реакций на

Библиогра

1. Бойко А.В. Совершенствование метода диагностики тормозных систем автомобилей в условиях эксплуатации на силовых стендах с беговыми барабанами: дис. ... канд. техн. наук: 05.22.10: защищена 25.06. 08. Иркутск, 2008. 217 с.

2. Кулько П.А., Габлин М.В. Государственный технический осмотр. Проблемы и решения. // Автотранспортное предприятие. 2005. № 9. С. 15-19.

3. Серов А.В. Стенды для контроля технического состояния и обкатки лесотранспортных машин. М.: Изд-во «Лесная промышленность», 1969. 168 с.

4. Федотов А.И. О повторяемости измерений параметров процесса торможения автомобиля на

уровне 6,94% (рис. 9). Для выявления причин «разброса» реализованных нормальных и продольных касательных реакций необходимы дополнительные экспериментальные исследования с варьированием параметров диагностического стенда: расстояния между опорными роликами и высоты подъема роликов относительно друг друга.

Статья поступила 01.12.2015 г.

чий список

стенде с беговыми барабанами / А.И. Федотов, А.В. Бойко, А.С. Потапов // Вестник ИрГТУ. 2008. № 1 (33). С. 63-71.

5. Федотов А.И. Экспериментальные исследования процесса взаимодействия эластичного колеса с беговым барабаном и дорогой / А.И. Федотов, А.В. Бойко, В.П. Халезов // Вестник ИрГТУ. 2012. № 9 (68). С. 157-163.

6. Экспериментальное исследование радиуса качения колеса в ведомом режиме на стенде с двумя опорными роликами / А.И. Федотов, А.В. Бойко, О.С. Яньков, А.С. Марков [и др.] // Вестник ИрГТУ. 2016. № 1. С. 152-157.