Экспериментальное исследование радиуса качения колеса в ведомом режиме на роликовом стенде Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629. 113.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИУСА КАЧЕНИЯ КОЛЕСА В ВЕДОМОМ РЕЖИМЕ НА РОЛИКОВОМ СТЕНДЕ

© А.И. Федотов1, А.В. Бойко2, О.С. Яньков3, А.С. Марков4

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

Приведены результаты экспериментального исследования радиуса качения колеса в ведомом режиме при смещении оси колеса в продольном направлении относительно опорных роликов стенда и варьировании нормальной нагрузки. Установлено, что при смещении колеса в продольном направлении в сторону заднего опорного ролика радиус качения колеса в ведомом режиме на переднем опорном ролике существенно отличается от радиуса качения колеса в ведомом режиме на заднем опорном ролике. Различие значений радиусов качения колеса в ведомом режиме приводит к возникновению кинематического рассогласования при взаимодействии колеса с эластичной шиной с передним и задним опорными роликами стенда.

Ключевые слова: контроль технического состояния автомобиля; диагностика; смещения колеса; стенд с опорными роликами; радиус качения колеса в ведомом режиме.

EXPERIMENTAL STUDY OF THE WHEEL ROLLING RADIUS IN A SLAVE MODE ON A ROLLER TEST BENCH A. I. Fedotov, A. V. Boiko, O.S. Iankov, A.S. Markov

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

The article presents the results of an experimental study of the wheel rolling radius in a slave mode under the longitudinal offset of the wheel axis from the bench support rollers and normal load variation. It is determined that under the longitudinal displacement of the wheel towards the rear support roller the rolling radius of the wheels in the slave mode on the front supporting roller significantly differs from the rolling radius of the wheels in the slave mode on the rear support roller. Difference in the values of wheel rolling radii in the slave mode gives rise to the kinematic mismatch under the interaction of the wheel with an elastic tire and front and rear support rollers of the bench.

Keywords: vehicle technical condition monitoring; diagnostics; wheel offset; test bench with support rollers; rolling radius of wheels in a slave mode.

Контроль тормозных систем автотранспортных средств (АТС) в условиях эксплуатации может осуществляться как дорожным, так и стендовым методами. Наибольшее распространение в России получил второй метод на силовых стендах с двумя опорными роликами под каждое колесо. Этот метод контроля технического состояния тормозной системы АТС имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, механика взаимодействия колеса с опорной поверхностью реальной дороги существенно отличается от механики взаимо-

действия колеса с опорными роликами диагностического стенда [2]. Во-вторых, в процессе диагностирования возникают продольные перемещения автомобиля [1, 4], которые вносят значительные погрешности измерения тормозных сил. В-третьих, при постановке диагностируемого АТС на стенд практически всегда имеет место непараллельность осей вращения его колес и роликов стенда [1, 4]. Все эти факторы вносят существенные погрешности измерения параметров процесса торможения АТС и ошибки контроля технического состояния

1Федотов Александр Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры автомобильного транспорта, тел.: 89025605582, e-mail: [email protected]

Fedotov Alexander, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Automobile Transport, tel.: 89025605582, e-mail: [email protected]

2Бойко Александр Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильного транспорта, тел.: 89149293650, e-mail: [email protected]

Boiko Aleksandr, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Automobile Transport, tel.: 89149293650, e-mail: [email protected]

3Яньков Олег Сергеевич, аспирант, тел.: 89248376658, e-mail: [email protected] Iankov Oleg, Postgraduate, tel.: 89248376658, e-mail: [email protected]

4Марков Алексей Сергеевич, аспирант, тел.: 89246040597, e-mail: [email protected] Markov Aleksei, Postgraduate, tel.: 89246040597, e-mail: [email protected]

тормозной системы [3].

В связи с вышесказанным, особую актуальность приобретают дополнительные исследования процесса взаимодействия автомобильных колес с опорными поверхностями диагностических стендов, а также анализ кинематических параметров, полученных в стендовых условиях, имитирующих постановку автомобиля на стенд с двумя опорными роликами [5].

Авторами статьи проведены экспериментальные исследования радиуса качения колеса в ведомом режиме, при варьировании приходящейся на него нормальной нагрузки и смещении колеса относительно плоскости симметрии опорных роликов стенда. Необходимость такого смещения обуславливается тем, что, во-первых, при постановке АТС на стенд невозможно добиться параллельности осей его колес и стенда (рис. 1). Во-вторых, при диагностировании тормозной системы АТС на стенде со спаренными опорными роликами колесо под действием касательных

реакций сдвигается в сторону заднего опорного ролика.

В экспериментальном исследовании использовалась шина Amtel Planet 175/65 R14 82 ^ давление воздуха в шине было установлено на уровне 0,21 МПа.

Определение радиуса качения колеса производилось по следующей методике. Для обеспечения ведомого режима вращения колеса демонтировалась карданная передача, соединяющая колесо и приводящая его во вращение силовая установка, а также демонтировалась цепная передача, вращающая передний опорный ролик от заднего опорного ролика (рис. 1). В центре линии обоих контактов шины с опорными роликами наносились маркером метки на колесе и обоих опорных роликах. Затем приводился во вращение задний опорный ролик, обеспечивая вращение переднего опорного ролика и колеса в ведомом режиме. Вращение выполняли на 15 полных оборотов (метки на колесе должны лежать в центре линии пятен контакта). После

Пятна контакта

Рис. 1. Смещение колеса автомобиля относительно опорных роликов стенда: а - величина смещения, мм; шБ - угловая частота вращения опорных роликов; шК - угловая частота вращения колеса; гК1 - радиус качения колеса относительно переднего опорного ролика; гК2 - радиус качения колеса относительно заднего опорного ролика; гСВ - свободный радиус колеса; Ок - нагрузка на колесо

остановки колеса напротив метки, расположенной на шине, на поверхности как переднего, так и заднего опорных роликов наносилась дополнительная метка. Далее выполнялись измерения расстояния пройденного шиной пути по поверхности ролика, учитывая расстояние между метками на опорных роликах, а также формулу

S = 2 • п • пР • rP ± Sl

м,

где 5 - путь, пройденный колесом по опорному ролику стенда; пР - количество полных оборотов опорного ролика; гР - радиус опорного ролика; - расстояние между метками на опорном ролике по дуге его окружности.

Расчет радиус качения колеса в ведомом режиме выполняется по формуле

S

гк

2 •п •пк

где 5 - путь, пройденный колесом по опорному ролику стенда; пк - количество полных оборотов колеса.

Полученные значения радиуса качения автомобильного колеса в ведомом режиме без смещения относительно опорных роликов при изменении нагрузки на колесо вк представлены на рис. 2.

Как видно из графика (рис. 2), криви»

0.29

0

1 0.285

4)

* °->8 2

-—

вые 1 и 2, полученные при качении колеса по двум опорным роликам стенда, незначительно отличаются, соответственно, радиусы качения колеса относительно переднего и заднего роликов будут одинаковыми. Однако при появлении смещения колеса в сторону одного из опорных роликов на расстояние а равного 10 мм (рис. 1) появляется разница в значениях величин радиусов качения колеса в ведомом режиме относительно переднего и заднего опорных роликов (рис. 3).

Зависимости, представленные на рис. 3, показывают, что радиусы качения колеса относительно переднего (кривая 2) и относительно заднего (кривая 1) опорных роликов стенда существенно отличаются. Наибольший разброс значений величин радиусов составляет 8,13 мм при величине нагрузки вк = 2300 Н.

При дальнейшем перемещении колеса до величины а = 15 мм (рис. 1) происходит отрыв поверхности колеса от цилиндрической поверхности переднего опорного ролика при нагрузке вк = 2200 Н (рис. 4). При смещении колеса в продольной плоскости на величину а = 20 мм (рис. 1) отрыв колеса возникает при нагрузке = 2700 Н (рис. 5). Особый интерес представляет тот факт, что при таком смещении взаимодействие колеса будет происходить только с задним опорным роликом.

\

\ и

Л к N. I

2 /

0.2?

О 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 -ЮОО 4500 5000 11агру1ка на колесо Ск, II Рис. 2. Изменение радиуса качения колеса в ведомом режиме без смещения относительно опорных

роликов стенда:

1 - радиус качения колеса относительно заднего опорного ролика гК2 (верхняя кривая);

2 - радиус качения колеса относительно переднего опорного ролика гК1 (нижняя кривая)

0.295

g 0.29 я

| 0.285 С 2 к

= 0.28

К

2 0.275

а2?

0,265

к

1

\ / ■

4fcJ

2 / ♦ -♦__ рй

500

1000 1500 2000 2500 3000 3500 -ЮОО 4500 5000 Н»!ру1ка на колесо (>к, Н Рис. 3. Изменение радиуса качения колеса в ведомом режиме со смещением в сторону заднего опорного

ролика на величину а = 10 мм: 1 - радиус качения колеса относительно заднего опорного ролика гК2; 2 - радиус качения колеса относительно переднего опорного ролика гК1

Результаты исследований показывают, что при увеличении смещения колеса относительно опорных роликов значение радиуса качения колеса относительно заднего опорного ролика несколько меньше, чем радиус качения относительно переднего ролика.

Установленные зависимости

(рис. 2-5) были аппроксимированы полиномом вида:

гк = Л • + В • - С • вк + О,

где гк - радиус качения колеса, м; А, В, С, й - коэффициенты; вк - нагрузка на колесо, Н.

Для аппроксимации экспериментальных зависимостей, показанных на рис. 2-5, получены коэффициенты A, B, ^ D, которые позволяют выполнять расчеты радиусов качения колеса по двум цилиндрическим опорным поверхностям без смещения колеса. Числовые значения коэффициентов приведены в таблице.

0,265

О 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 liai pyiKu на колесо GK, II Рис. 4. Изменение радиуса качения колеса в ведомом режиме со смещением в сторону заднего опорного

ролика на величину а = 15 мм: 1 - радиус качения колеса относительно заднего опорного ролика гК2; 2 - радиус качения колеса относительно переднего опорного ролика rKl

Коэффициенты для расчета радиуса качения колеса в ведомом режиме в зависимости от нагрузки и смещения колеса относительно опорных роликов

на основе функциональной зависимости

Смещение колеса относительно опорных роликов а, мм Коэффициенты функции Достоверность аппроксимации

A B C D #

0 мм Относительно переднего опорного ролика -М0-13 2 • 10-9 9 • 10-6 0,292 0,9999

Относительно заднего опорного ролика -М0-13 2 • 10-9 МО"5 0,292 1

5 мм Относительно переднего опорного ролика -310-13 310-9 МО-5 0,292 0,9999

Относительно заднего опорного ролика -6-10-14 9-10"10 7 • 10-6 0,292 0,9999

10 мм Относительно переднего опорного ролика -310-13 310-9 МО-5 0,292 0,9994

Относительно заднего опорного ролика -9-10"15 3-10"10 5 • 10-6 0,292 1

15 мм Относительно переднего опорного ролика -4-10"13 4 • 10-9 М0~5 0,292 0,9998

Относительно заднего опорного ролика -2-10"12 310-8 0,0001 0,4148 0,9918

20 мм Относительно переднего опорного ролика -310-13 4 • 10-9 М0~5 0,292 0,9996

Относительно заднего опорного ролика -4-10"12 5 • 10-8 0,0002 0,5714 0,9979

►леео

Рис. 5. Изменение радиуса качения колеса в ведомом режиме со смещением в сторону заднего опорного

ролика на величину а = 20 мм: 1 - радиус качения колеса относительно заднего опорного ролика гК2; 2 - радиус качения колеса относительно переднего опорного ролика гК1

По результатам выполненного экспериментального исследования можно сделать следующие выводы:

1. Смещение колеса в продольном направлении относительно опорных роликов стенда приводит к значительному изменению радиусов качения колеса в ведомом режиме. При смещении колеса на ве-

личину а=20 мм в сторону заднего опорного ролика и нагрузке на колесо = 2300 Н происходит отрыв колеса от переднего опорного ролика. Таким образом, взаимодействие колеса осуществляется лишь с одним роликом стенда. В этом случае величина отличия радиусов качения колеса в ведомом режиме на переднем и заднем

роликах может достигать до 6,8%.

2. При таком различии радиусов качения колеса в ведомом режиме возможно возникновение кинематического рассогла-

сования, что влечет за собой проскальзывания колеса относительно переднего и заднего опорных роликов стенда.

Статья поступила 17.11.2015 г.

Библиографический список

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

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

3. Федотов А.И., Бойко А.В., Луан Ле В. Анализ механики взаимодействия эластичной шины с цилиндрической опорной поверхностью бегового барабана диагностического стенда // Вестник Сибирской

государственной автомобильно-дорожной академии. 2014. № 1 (35). С. 34-37.

4. Федотов А.И., Бойко А.В., Потапов А.С. О повторяемости измерений параметров процесса торможения автомобиля на стенде с беговыми барабанами // Вестник ИрГТУ. 2008. № 1 (33). С. 63-71.

5. Экспериментальное исследование параметров, характеризующих взаимодействие автомобильного колеса с опорными роликами диагностических стендов / А.И. Федотов, А.В. Бойко, А.В. Буранов, Цогт Доржсурэн // Вестник ИрГТУ. 2009. № 4 (40). С. 72-77.