Исследование коэффициента трения эластичной автомобильной шины при изменении износа рисунка протектора Текст научной статьи по специальности «Физика»

Оригинальная статья / Original article УДК 629.113.001

DOI: 10.21285/1814-3520-2017-2-181-189

ИССЛЕДОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ТРЕНИЯ ЭЛАСТИЧНОЙ АВТОМОБИЛЬНОЙ ШИНЫ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ИЗНОСА РИСУНКА ПРОТЕКТОРА

© А.С. Марков1, Н.И. Овчинникова2

1Иркутский национальный исследовательский технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 2Иркутский государственный аграрный университет,

Российская Федерация, 664038, Иркутская обл., Иркутский р-он, п. Молодежный.

РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Изучено изменение коэффициента трения автомобильной шины о плоскую стальную поверхность при уменьшении остаточной высоты рисунка протектора. МЕТОД. Исследование проводили на специальном испытательном комплексе, позволяющем получить величину коэффициента трения. Принцип работы установки основан на методе сдвига фрагмента беговой дорожки шины относительно опорной поверхности. РЕЗУЛЬТАТЫ. Автомобильная шина имеет некоторую нестабильность к созданию продольной реакции. Для шин Hankook Optimo ME-2 коэффициент трения по стальной опорной поверхности при наличии «третьего тела» в пятне контакта трущихся тел, при износе рисунка протектора на 20% составил 0,632, а при износе на 75% составил 0,531. Уменьшение коэффициента трения составляет 15%. Для шин BridgeStone Sneaker при тех же условиях, при износе рисунка протектора на 5% коэффициент трения составил 0,531, а при износе на 90% - 0,464. Снижение коэффициента трения составляет 12%. Заключение. В ходе эксперимента удалось установить, что на процесс взаимодействия шины с опорной поверхностью дороги влияет как величина ее износа, так и наличие «третьего тела» (пыли, песка и пр.), которое значительно изменяет процесс взаимодействия шины с дорогой. Ключевые слова: коэффициент трения, эластичная шина, фрагмент беговой дорожки, износ рисунка протектора, плотность нормального распределения.

Формат цитирования: Марков А.С., Овчинникова Н.И. Исследование коэффициента трения эластичной автомобильной шины при изменении износа рисунка протектора // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 2. С. 181-189. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-2-181-189

STUDYING ELASTIC VEHICLE TIRE FRICTION COEFFICIENT UNDER CHANGED TREAD WEAR PATTERNS A.S. Markov, N.I. Ovchinnikova

Irkutsk National Research Technical University,

83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.

Irkutsk State Agrarian University named after Ezhevsky,

Molodezhnyi settlement, Irkutsk district, Irkutsk, 664038, Russian Federation.

ABSTRACT. PURPOSE. The paper studies the changes of the vehicle tire/ flat steel surface friction coefficient under reduced residual tire tread depth. METHOD. The study is carried out on a special test facility that allows to obtain the value of the coefficient of friction. The facility operation principle is based on the method of the tire tread fragment shift relative to the bearing surface. RESULTS. A vehicle tire is rather unstable in longitudinal reaction creation. The coefficient of friction of Hankook Optimo ME-2 tires on the steel bearing surface in the presence of a "third body" in the contact patch of the rubbing parts is 0.632 when the tire tread wear is 20% and reaches 0.531 under the tire tread wear of 75%. The coefficient of friction is reduced by 15%. Under the same conditions, BridgeStone Sneaker tires are characterized with the coefficient of friction of 0.531 under the tire tread wear of 5% and 0.464 under the tire tread wear of 90%. The coefficient of friction is reduced by 12%. CONCLUSION. The following conclusion has been derived as a result of the experiment: tire interaction with the bearing surface of the road is affected by both the tire wear rate and the presence of a "third body" (dust, sand, etc.) that significantly alters tire and road interaction.

Keywords: coefficient of friction, elastic tire, tire tread fragment, tire tread wear pattern, density of normal distribution

Формат цитирования: Markov A.S., Ovchinnikova N.I. Studying elastic vehicle tire friction coefficient under changed tread wear patterns. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017. V. 21. No. 2. P. 181-189. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-2-181-189

Марков Алексей Сергеевич, аспирант, e-mail: [email protected] Aleksei S. Markov, Postgraduate, e-mail: [email protected]

2Овчинникова Наталья Ивановна, доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой математики, e-mail: [email protected]

Natalia I. Ovchinnikova, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Mathematics, e-mail: [email protected]

Введение

Ежедневно во всех странах мира происходят дорожно-транспортные происшествия (ДТП) как с причинением ущерба здоровью граждан, так и с летальными исходами. Согласно статистике, приведенной ГИБДД РФ, большая часть ДТП случается по причине технической неисправности автотранспортных средств из-за отказа тормозной системы [1].

Контроль технического состояния тормозной системы автотранспортных средств в большей степени проводится на стендах с беговыми барабанами. Однако, как отмечено в работе [2], предлагаемые различными фирмами стенды для оценки технического состояния тормозной системы при проведении государственного технического осмотра, например, моделей ЛТК и стационарные стенды моделей СТС, СТМ, а также зарубежных фирм МАНА, Саг1ес и др. не могут дать объективные показатели поведения автотранспортных средств в транспортном потоке.

Одной из основных причин, влияющих на показатели тормозной эффективности автотранспортных средств, является

реализованный коэффициент сцепления -коэффициент трения скольжения. На его величину и характеристики оказывают значительное влияние следующие факторы: шероховатость и рельеф опорной поверхности, тип шины, характеристики ее резины, коэффициент насыщенности рисунка протектора и пр. [3, 4].

При проведении технического осмотра проверяется остаточная высота рисунка протектора; для легковых автомобилей минимальная высота составляет 1,6 мм. Однако доподлинно неизвестно, как происходит изменение реализованного коэффициента сцепления шины автомобильного колеса при взаимодействии ее с опорной поверхностью при торможении в блоковом режиме в зависимости от степени изношенности рисунка протектора. Процессы взаимодействия шин с опорной поверхностью являются одними из наиболее сложных с позиции их изучения и формализации. Любое математическое описание этих процессов нуждается в строгой экспериментальной проверке [5].

Описание методики проведения эксперимента

Для экспериментального исследования характеристик эластичных шин автомобильного колеса в лаборатории кафедры «Автомобильный транспорт» Иркутского национального исследовательского технического университета разработан и изготовлен испытательный комплекс (рис. 1). Он позволяет исследовать величину реализованного коэффициента сцепления элемента беговой дорожки шины с плоской опорной поверхностью, а также с опорной поверхностью, покрытой специальным полимербетонным составом, имитирующим условия эксплуатации шин автотранспортного средства.

Для экспериментального исследования было изготовлено три фрагмента беговой дорожки (рис. 2) шин модели Напкоок

Optimo ME2 185/65 R14 86H (рис. 3, а) с разной остаточной высотой рисунка протектора. Износ высоты протектора составил 20, 40 и 75% соответственно. Кроме того, было изготовлено два фрагмента беговой дорожки из шин модели BridgeStone Sneaker 175/70 R14 84S (рис. 3, b) с износом рисунка протектора на 5 и 90%.

Эксперимент производили при следующих условиях: площадь фрагмента беговой дорожки шины составила 37 см2, удельное давление в пятне контакта трущихся тел - 0,47 МПа, скорость скольжения 1,1 м/с, нормальная нагрузка - 1750 Н. На рис. 4 представлен общий вид осциллограммы силы трения, полученный в ходе эксперимента при вышеперечисленных условиях.

Рис. 1. Установка для исследования характеристик шин Fig. 1. Installation for tire characteristics study

Рис. 2. Фрагменты беговой дорожки шины Hankook Optimo ME2 185/65 R14 86H

Fig. 2. Tire tread fragments of Hankook Optimo ME2 185/65 R14 86H

а b

Рис. 3. Испытуемые шины: а - Hankook Optimo ME2 185/65 R14 86H; b - BridgeStone

Sneaker 175/70 R14 84S Fig. 3. Testing tires: а - Hankook Optimo ME2 185/65 R14 86H; b - BridgeStone

Sneaker 175/70 R14 84S

Рис. 4. Общий вид осциллограммы силы трения испытуемой шины BridgeStone Sneaker 175/70 R14 84S Fig. 4. General view of the friction force oscillogram for the testing tire BridgeStone Sneaker 175/70 R14 84S

Результаты исследования

По полученным осциллограммам были построены гистограммы распределения измеренных значений силы трения элемента беговой дорожки шины о плоскую стальную поверхность для фрагментов шин марки Hankook Optimo ME2 (рис. 5) и шин марки BridgeStone Sneaker (рис. 6).

При анализе гистограмм, полученных в результате проведенного эксперимента, видно, что сама шина имеет некоторую нестабильность при создании силы трения, а также не прослеживается снижение силы трения при увеличении износа рисунка протектора. Данный факт можно объяснить тем, что исследуемые автомобильные шины изготовлены из резины разного качества и это отразилось на жесткости и коэффициенте трения их беговых дорожек.

Полученный результат противоречит общепринятому мнению о снижении коэффициента трения изношенных шин. Поэтому было решено провести эксперимент в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации: с наличием «третьего тела» в пятне контакта, так как на дорожном полотне всегда имеются фракции песка, пыли и грязи.

В ходе эксперимента были получены гистограммы распределения измеренных значений силы трения элемента беговой дорожки шины о плоскую стальную поверхность при наличии «третьего тела» в пятне контакта. Эти гистограммы для фрагментов шин марки Hankook Optimo ME2 и шин марки BridgeStone Sneaker представлены на рис. 7, 8.

Результаты эксперимента, приведенные выше, сведены в таблицу.

Рис. 5. Гистограммы распределения измеренных значений силы трения элемента беговой дорожки шины Hankook Optimo ME2 о плоскую стальную поверхность: а - износ 20%; b - износ 40%; с - износ 75% Fig. 5. Distribution histograms of the measured values of the Hankook Optimo ME2 tire tread element friction force on a flat steel surface: a - 20% wear; b - 40% wear; c - 75% wear

b

а

Рис. 6. Гистограммы распределения измеренных значений силы трения элемента беговой дорожки

шины BridgeStone Sneaker о плоскую стальную поверхность: а - износ 5%; b - износ 90% Fig. 6. Distribution histograms of the measured values of the BridgeStone Sneaker tire tread element friction

force on a flat steel surface: а - 5% wear; b -90% wear

1014 1038 1063 1087 1111 1136 1160 113* 1209 1233 1257 R„ H 392 917 9il 965 990 10V, 1038 1063 1087 1111 RX,H

795 819 SU 868 892 917 941 965 990 1014 1038 1063 1087 Я,. H

с

Рис. 7. Гистограммы распределения измеренных значений сил трения элемента беговой дорожки шины Hankook Optimo ME2 о плоскую стальную поверхность при наличии «третьего тела» в пятне контакта: а - износ 20%; b - износ 40%; с - износ 75% Fig. 7. Distribution histograms of the measured values of Hankook Optimo ME2 tire tread element friction forces on a flat steel surface in the presence of a "third body" in the contact patch: a - 20% wear; b - 40% wear; c - 75% wear

Анализируя результаты проведенных экспериментов, можно сделать следующий вывод: в условиях, близких к эксплуатационным, т.е. при наличии «третьего тела» в пятне контакта, сила трения и соответственно реализованный коэффициент сцепления снижаются при увеличении износа рисунка протектора. Вероятнее всего, это вызвано тем, что более крупные фракции песка, пыли и грязи вытесняются в промежутки между шашечками рисунка протектора шины, чего не бывает у предельно изношенной шины.

Автомобильная шина имеет некоторую нестабильность при создании про-

дольной реакции. Для шин Hankook Optimo ME2 разброс сил трения достигает 31%, а для шин BridgeStone Sneaker - 36,02%.

Коэффициент трения для шин Hankook Optimo ME-2 по стальной опорной поверхности при наличии «третьего тела» в пятне контакта, при износе рисунка протектора на 20% составил 0,632, а при износе на 75% составил 0,531. Уменьшение коэффициента трения составляет 15%. Для шин BridgeStone Sneaker при тех же условиях, при износе рисунка протектора на 5% коэффициент трения составил 0,531, а при износе на 90% составил 0,464. Снижение коэффициента трения - 12%.

Сводная таблица результатов эксперимента Summary table of experimental results

Условия эксперимента / Experimental conditions Износ, % / Wear, % число выпадений, N / Number of fallings, n Касательная реакция Rx, Н / Tangential reaction, Rx, N Дисперсия, б2, Н / Dispersion, б2, N Среднее квадратичное отклонение б, Н / Mean square deviation, б, N Погрешность, Ai, % / Error, Ai, % Погрешность, A2, % / Error, A2, % Коэффициент трения, ц / Friction coefficient, ц Общая погрешность, А, % / Total error, А, %

Hankook Optimo ME2 стальная поверхность / Hankook Optimo ME2 steel surface 20 112 1718 2557,08 50,57 7,7 -6,13 0,982 13,83

40 141 1790 2502,38 50,02 6,4 -6,87 1,023 13,27

75 87 1683 2568,7 50,68 7,51 -6,61 0,962 14,12

Hankook Optimo ME2 стальная поверхность + «третье тело» / Hankook Optimo ME2 steel surface + a "third body" 20 220 1106 2439,51 49,39 8,4 -13,58 0,632 21,98

40 237 991 1943,94 44,09 10,01 -12,09 0,566 22,1

75 195 938 2905,93 53,91 15,33 -15,78 0,536 31,11

BridgeStone Sneaker стальная поверхность / BridgeStone Sneaker steel surface 5 116 1689 13597,07 116,61 22,7 -13,32 0,965 36,02

90 100 1740 12067,28 109,85 18 -13,45 0,994 31,45

BridgeStone Sneaker стальная поверхность + «третье тело» / BridgeStone Sneaker steel surface + a "third body" 5 147 930 2180,38 46,69 9,39 -14,14 0,531 23,53

90 139 812 1933,32 43,97 17,12 -9,85 0,464 26,97

8U 868 892 817 %1 865 890 10% 1088 1068 R„H 673 7!2 746 77, 7Ж m m a6g e92 Rt,H

а b

Рис. 8. Гистограммы распределения измеренных значений силы трения элемента беговой дорожки шины BridgeStone Sneaker о плоскую стальную поверхность при наличии «третьего тела» в пятне

контакта: а - износ 5%; b - износ 90% Fig. 8. Distribution histograms of the measured values of BridgeStone Sneaker tire tread element friction forces on a flat steel surface in the presence of a "third body" in the contact patch: a - 5% wear; b - 90% wear

Рис. 9. Изменение коэффициента трения элемента беговой дорожки шины от степени износа рисунка протектора: 1 - BridgeStone Sneaker по стальной опорной поверхности + «третье тело»; 2 - Hankook Optimo ME-2 по стальной опорной поверхности + «третье тело»; 3 - BridgeStone Sneaker по стальной

опорной поверхности; 4 - Hankook Optimo ME-2 по стальной опорной поверхности Fig. 9. Change in the friction coefficient of the tire tread element depending on the degree of tire tread wear of: 1 - BridgeStone Sneaker on the steel bearing surface + a "third body"; 2 - Hankook Optimo ME-2 on the steel bearing surface + a "third body"; 3 - BridgeStone Sneaker on the steel bearing surface; 4 - Hankook Optimo

ME-2 on the steel bearing surface

Заключение

Таким образом, в ходе экспериментальных исследований удалось установить, что на процесс взаимодействия шины с опорной поверхностью дороги влияет как величина ее износа, так и наличие «третьего тела» (пыли, песка и пр.), которое значительно изменяет процесс взаимодействия шины с дорогой.

Отметим, что эксперимент проводили при скорости относительного скольжения тел трения 1,1 м/с и при нормальной нагрузке на фрагмент беговой дорожки шины 1750 Н. Очевидно, что для полноты и

повышения качества эксперимента необходимо варьировать и нагрузку, и скорость, т.е. те параметры, которые являются элементами тестового воздействия на изучаемый процесс и нуждаются в оптимизации.

Оптимизация тестовых режимов является важным этапом при разработке новых методов диагностирования. От корректности тестовых режимов зависят не только качество разрабатываемых методов диагностирования, но зачастую и их жизнеспособность [6, 7].

Библиографический список

1. Сведения о показателях состояния безопасности дорожного движения [Электронный ресурс]. URL: http://www.gibdd.ru/stat/ (23.12.2016).

2. Кулько П.А., Ушаков К.В., Государственный тех-

нический осмотр. Проблемы и решения // Автотранспортное предприятие. 2005. № 9. С. 15-19. 3. Бойко А.В., Яньков О.С., Марков А.С. Причины отличия характеристик сцепления эластичной ши-

ны с плоской и цилиндрической опорной поверхностью // Авиамашиностроение и транспорт Сибири - 2015: сб. науч. трудов студентов и преподавателей института АМиТ ИРНИТУ. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2015. С. 34-38.

4. Федотов А.И., Бойко А.В., Марков А.С. Исследования коэффициента трения автомобильной шины с плоской опорной поверхностью стенда // Вестник ИрГТУ. 2016. № 3 (110). С. 158-163.

5. Федотов А.И., Кузнецов Н.Ю. Шинный тестер с беговым барабаном для исследования характери-

стик шин // Автомобиль для Сибири и Крайнего Севера. Конструкция, эксплуатация, экономика: материалы 90-й Междунар. науч.-техн. конф. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2015. С. 138-147.

6. Федотов А.И. Динамический метод диагностики пневматического тормозного привода автомобилей: монография. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2015. 514 с.

7. Федотов А.И., Портнягин Е.М. К вопросу о тестовых воздействиях на объект диагностирования // Вестник ИрГТУ. 2011. № 5 (52). С. 95-100.

References

1. Svedeniya o pokazatelyakh sostoyaniya bezopas-nosti dorozhnogo dvizheniya [Information on road traffic safety indicators]. Available at: http://www.gibdd.ru/stat/ (accessed 23 December 2016).

2. Kul'ko P.A., Ushakov K.V. Gosudarstvennyi tekhnicheskii osmotr. Problemy i resheniya [State technical check-up. Problems and solutions]. Avtotran-sportnoe predpriyatie [Motor Transport Enterprise]. 2005, no. 9, pp. 15-19. (In Russian)

3. Boiko A.V., Yan'kov O.S., Markov A.S. Prichiny ot-lichiya kharakteristik stsepleniya elastichnoi shiny s ploskoi i tsilindricheskoi opornoi poverkhnost'yu [Reasons for the different friction characteristics of elastic tires and flat and cylindrical bearing surfaces]. Sb. nauch. trudov studentov i prepodavatelei instituta AMiT IRNITU "Aviamashinostroenie i transport Sibiri - 2015". [Proceedings of scientific works of students and teaching staff of the Institute of Aircraft and Mechanical Engineering and Transport of Irkutsk National Research Technical University "Aircraft and Mechanical Engineering and Transport in Siberia - 2015"]. Irkutsk: Izd-vo IrGTU Publ., 2015, pp. 34-38. (In Russian)

4. Fedotov A.I., Boiko A.V., Markov A.S. Issledovaniya koeffitsienta treniya avtomobil'noi shiny s ploskoi opornoi poverkhnost'yu stenda [Studies of the tread rubber

Критерии авторства

Марков А.С., Овчинникова Н.И. изучили изменение коэффициента трения автомобильной шины о плоскую стальную поверхность при уменьшении остаточной высоты рисунка протектора, провели обобщение и написали рукопись. Марков А.С., Овчинникова Н.И. имеют равные авторские права и несут одинаковую ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Статья поступила 17.11.2016 г.

friction coefficient with the test bed bearing surface]. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2016, no. 3 (110), pp. 158-163. (In Russian)

5. Fedotov A.I., Kuznetsov N.Yu. Shinnyi tester s be-govym barabanom dlya issledovaniya kharakteristik shin [Tire tester with a chassis dynamometer for tire characteristics study]. Materialy 90 Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf "Avtomobil' dlya Sibiri i Krainego Severa. Konstruktsiya, ekspluatatsiya, ekonomika". [Proceedings of 90 International Scientific and Technical Conference "Vehicles for Siberia and the Far North: Design, operation and economics"]. Irkutsk: Izd-vo IRNITU Publ., 2015, pp. 138-147. (In Russian)

6. Fedotov A.I. Dinamicheskii metod diagnostiki pnevmaticheskogo tormoznogo privoda avtomobilei [The dynamic method for vehicle pneumatic brake drive troubleshooting]. Irkutsk: Izd-vo IRNITU Publ., 2015, 514 p. (In Russian)

7. Fedotov A.I., Portnyagin E.M. K voprosu o testovykh vozdeistviyakh na ob"ekt diagnostirovaniya [On the test effects on the object of diagnosis]. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2011, no. 5 (52), pp. 95-100. (In Russian)

Authorship criteria

Markov A.S., Ovchinnikova N.I. have studied the changes in the tire/ flat steel surface friction coefficient under reduction of a residual tire tread depth, summarized the material and wrote the manuscript. Markov A.S., Ovchinnikova N.I. have equal copyrights and bear equal responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.

The article was received 17 November 2016