CC BY
46
Оригинальная статья / Original article УДК 629.113.001
http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2017-11-216-225
ВЛИЯНИЕ ИЗНОСА РИСУНКА ПРОТЕКТОРА БЕГОВОЙ ДОРОЖКИ ШИНЫ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЕЕ СЦЕПЛЕНИЯ С ОПОРНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
© А.И. Федотов1, А.С. Марков2, О.С. Яньков3, Н.И. Овчинникова4
12 3
,, Иркутский национальный исследовательский технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 4Иркутский государственный аграрный университет,
Российская Федерация, 664038, Иркутская обл., Иркутский р-он, п. Молодежный.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Провести экспериментальное исследование влияния износа рисунка протектора на реализованный коэффициент сцепления автомобильных шин с опорной поверхностью. МЕТОДЫ. Исследование проводили на специальном испытательном комплексе, позволяющем получить величину коэффициента сцепления эластичной шины с плоской, одной цилиндрической и двумя цилиндрическими опорными поверхностями. Часть исследований была выполнена на силовом тормозном стенде СТМ-3500 фирмы МЕТА. РЕЗУЛЬТАТЫ. Установлено, что в лабораторных условиях снижение коэффициента сцепления эластичной шины с плоской стальной опорной поверхностью составляет 24%, с цилиндрической стальной опорной поверхностью - 16%. На роликах силового тормозного стенда СТМ-3500 снижение коэффициента сцепления составило 35%. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. В ходе экспериментальных исследований получены значения коэффициента сцепления эластичной шины с плоской стальной опорной поверхностью и одной цилиндрической стальной опорной поверхностью, а также с опорными роликами силового тормозного стенда СТМ-3500 для шин с разной остаточной величиной рисунка протектора.
Ключевые слова: коэффициент сцепления, касательная реакция, тормозная сила, эластичная шина, износ беговой дорожки, тормозной стенд.
Формат цитирования: Федотов А.И., Марков А.С., Яньков О.С., Овчинникова Н.И. Влияние износа рисунка протектора беговой дорожки шины на характеристики ее сцепления с опорной поверхностью // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 11. С. 216-225 DOI: 10.21285/1814-3520-2017-11216-225
EFFECT OF TREAD PATTERN WEAR ON CHARACTERISTICS OF TIRE ADHESION WITH A SUPPORTING SURFACE
A.I. Fedotov, A.S. Markov, O.S. Yankov, N.I. Ovchinnikova
Irkutsk National Research Technical University,
83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russian Federation.
Irkutsk State Agrarian University named after A.A. Ezhevsky,
Molodezhny settlement, Irkutsk region, Irkutsk district, 664038, Russian Federation.
ABSTRACT. The PURPOSE of the paper is to perform an experimental study of the effect of tread pattern wear on the implemented coefficient of motor tire adhesion with the supporting surface. METHODS. The study was carried out on a special test complex allowing to obtain the value of the coefficient of elastic tire adhesion with a flat, one cylinder and two cylinder supporting surfaces. A part of studies was performed on the STM-3500 braking test bench by Meta company. RESULTS. It has been determined that in the laboratory conditions the coefficient of elastic tire adhesion with a flat steel supporting surface reduces by 24%, with a cylindrical steel supporting surface by 16%. The adhesion coefficient reduces by 35% on the rollers of the STM-3500 braking test bench. CONCLUSION. The experimental studies resulted in obtaining the values of the coefficient of elastic tire adhesion with a flat steel supporting surface, one cylinder steel supporting
1Федотов Александр Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой автомобильного транспорта, e-mail: fai.abs@yandex.ru
Aleksandr I. Fedotov, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Automobile Transport, e-mail: fai.abs@yandex.ru
2Марков Алексей Сергеевич, аспирант, e-mail: buran.005@mail.ru Aleksei S. Markov, Postgraduate student, e-mail: buran.005@mail.ru
3Яньков Олег Сергеевич, аспирант, e-mail: yos913005@mail.ru Oleg S. Yankov, Postgraduate student, e-mail: yos913005@mail.ru
Овчинникова Наталья Ивановна, доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой математики, e-mail: nata54@bk.ru
NatalIa I. Ovchinnikova, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Mathematics, e-mail: nata54@bk.ru
surface and support rollers of the STM-3500 braking test bench for the tires with different residual values of the tread pattern.
Keywords: adhesion coefficient, tangential reaction, braking force, elastic tire, tire tread wear, brake test bench
For citation: Fedotov A.I., Markov A.S., Yankov O.S., Ovchinnikova N.I Effect of tread pattern wear on characteristics of tire adhesion with a supporting surface. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 11, pp. 216-225. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-11-216-225
Введение
Ежегодно на дорогах Российской Федерации происходит около двухсот тысяч дорожно-транспортных происшествий (ДТП), сопровождающихся гибелью людей, причинением вреда их здоровью, а также повреждением перевозимых грузов. Из общего числа ДТП примерно в 10% случаев авария происходила по причине неисправности автотранспортных средств (АТС), в том числе их тормозной системы [1]. Тормозная система является средством активной безопасности АТС. Контроль за ее техническим состоянием жизненно важен, от качества контроля зависит обеспечение требуемой тормозной эффективности АТС. Обеспечение высокого качества контроля тормозных систем может спасти жизни людей, уберечь их от травм, сохранить перевозимые АТС грузы.
Контроль технического состояния
тормозной системы АТС проводят как в стендовых, так и в дорожных условиях. Для нашей страны, отличающейся широким спектром климатических зон, самыми оптимальными являются стендовые испытания. Согласно техническому регламенту Таможенного союза 018-2011? в процессе проведения технического осмотра у АТС проверяют остаточную высоту рисунка протектора беговой дорожки шины. Для АТС категории М1 эта величина составляет 1,6 мм, для АТС категории М2 - 2,0 мм, для АТС категорий N1, N2, N3 - 0,8 мм [2].
Пока нельзя с полной достоверностью говорить о том, как износ рисунка протектора влияет на величину реализованного коэффициента сцепления, величину тормозных сил, показатели тормозной эффективности.
Описание методики проведения эксперимента
В научно-исследовательской лаборатории кафедры автомобильного транспорта Иркутского национального исследовательского технического университета группой ученых разработана и изготовлена лабораторная установка модульного типа для исследования процессов в пятне контакта эластичной шины с опорной поверхностью (рис. 1). Установка позволяет исследовать процессы в пятне контакта эластичной шины с одним или двумя опорными цилиндрическими роликами, а также с плоской опорной поверхностью. Измерительные системы установки позволяют измерять нормальные и касательные реакции, распределенные по длине пятен контакта шины с вышеназванными поверхностями.
При исследовании процессов взаимодействия шины с плоской опорной поверхностью нагруженное нормальной нагрузкой и заблокированное колесо с эластичной шиной находится в неподвижном состоянии (ак = 0), а плоская опорная поверхность совершает равномерное линейное поступательное перемещение вдоль плоскости колеса (Уп > 0). Скорость линейного поступательного перемещения опорной поверхности вдоль плоскости колеса Уп может изменяться оператором и устанавливаться в диапазоне от 0 до 1,1 м/с. Кинематическая схема установки для проведения исследования процессов взаимодействия шины с плоской опорной поверхностью представлена на рис. 2.
b
Рис. 1. Лабораторная установка модульного типа для исследования процессов в пятне контакта эластичной шины с опорной поверхностью: а - с плоской опорной поверхностью; b - с одним и двумя цилиндрическими опорными роликами Fig. 1. Modular laboratory unit for studying processes in the contact patch of an elastic tire and a supporting surface: a - with a flat supporting surface; b - with one and two cylinder supporting rollers
Ж 1 _to <»>'_
Рис. 2. Кинематическая схема установки с плоской опорной поверхностью Fig. 2. Kinematic diagram of a unit with a flat supporting surface
При исследовании процессов взаимодействия шины с цилиндрическими опорными поверхностями нагруженное нормальной нагрузкой и заблокированное колесо с эластичной шиной также находится в неподвижном состоянии (®к = 0). При этом цилиндрические поверхности опорных роликов совершают равномерное поступательное вращение от автономного привода установки (®р > 0). Угловую скорость вращения роликов (ор может изменять оператор и устанавливать в диапазоне от 0 до 11 рад/с. Кинематическая схема установки для проведения исследования процессов взаимодействия шины с цилиндрическими опорными поверхностями представлена на рис. 3.
Для функционирования измерительных систем установки в верхней части
плоской опорной поверхности, а также в наружной поверхности опорных роликов установлены тензометрические датчики для измерения продольной и нормальной удельной нагрузки в пятне контакта с шиной. Датчики представляют собой балку прямоугольного сечения с наклеенными на нее тензометрическими преобразователями. Сигналы датчиков усиливают электронные усилители, изготовленные на базе операционных усилителей АР620 и ЬМ324. Усиленный ими сигнал подается в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) модели ЮагЬ Е-154 и выводится в компьютер. После обработки сигналов на программном уровне в среде ЮгарИ результаты измерения можно видеть на экране компьютера (рис. 4).
Рис. 3. Кинематическая схема установки с опорными роликами Fig. 3. Kinematic diagram of a unit with supporting rollers
О 20 40 60 SO too 120 ПО 160 WO 200
Время, г Time, s
Рис. 4. Осциллограмма тарировочного сигнала системы измерения нормальной реакции,
распределенной по длине пятна контакта Fig. 4. Oscillogram of the calibration signal of the measurement system of normal reaction distributed along
the length of the contact patch
Тарирование систем измерения продольной и нормальной удельной нагрузки в пятне контакта с шиной проводили в процессе дискретного нагружения датчиков продольной и нормальной нагрузкой. Пример тарировочного графика приведен на рис. 5.
Известно, что на коэффициент сцепления автомобильной шины с опорной поверхностью влияет множество факторов, таких как: рельеф и шероховатость опорной поверхности, тип шины и рисунок ее протектора, характеристики резины, износ протектора и т.д. [3-6].
Для проведения экспериментальных исследований были выбраны шины модели BridgeStone Sneaker размером 185/70 R14 88S с износом протектора 5 и 90% (рис. 6).
Для изучения зависимостей реализованного коэффициента сцепления эластичной шины колеса, тормозящего в блоковом режиме, от величины износа протектора колесо с испытуемой шиной устанавливали на стенд. Затем блокировали вращение колеса и запускали силовую установку, приводящую в движение опорную поверхность.
Рис. 5. Тарировочный график системы измерения нормальной реакции, распределенной по длине пятна контакта Fig. 5. Calibration graph of the measurement system of normal reaction distributed along
the length of the contact patch
a
Рис. 6. Шина BridgeStone Sneaker 185/70 R14 88S с износом: а - 5%; b - 90% Fig. 6. BridgeStone Sneaker 185/70 R14 88S tire with: а - 5% wear; b - 90% wear
При движении опорной поверхности системы измерения нормальной и касательной реакции, распределенной по длине пятна контакта, регистрировали сигналы нормальной и касательной силы. Сигналы систем измерения обрабатывались на программном уровне с использованием тари-ровочных графиков (см. рис. 5). После обработки получали значения физических величин удельной нормальной и удельной продольной реакций, с использованием которых строили графики зависимостей = ЦЦ) и ДЯХ = ци).
Экспериментальные исследования
проводили в следующих режимах: при заблокированном колесе; скорости продольного движения опорной поверхности 1,1 м/с; давление в шине поддерживали на уровне 0,21 МПа; нормальную нагрузку на колесо дискретно варьировали в диапазоне от 1750 до 3750 Н [7, 8].
Полученные графики (рис. 7) удельной нормальной и касательной реакций, распределенных по длине ¿д пятна контакта, обрабатывали методом численного интегрирования с целью определения реализованного коэффициента сцепления шины с опорной поверхностью в блоке.
Рис. 7. Эпюры элементарной реакции, распределенной по длине пятна на плоской опорной поверхности Fig. 7. Diagrams of the elementary reaction distributed along the length of the contact patch on the flat supporting surface
Результаты исследований
На рис. 8 представлены результаты экспериментальных исследований процесса торможения колеса с эластичной шиной в блоковом режиме на плоской опорной поверхности. В процессе исследования устанавливали следующие значения нормальной нагрузки, Н: 1750, 2250, 2750, 3250 и 3750.
Полученные графики показывают, что коэффициент сцепления шины, имеющей износ 90%, значительно ниже чем у шины с износом 5%. При нагрузке 1750 Н снижение составило 24%, при нагрузке 3750 Н - 41%.
На рис. 9 представлены результаты экспериментальных исследований процесса торможения в блоковом режиме колеса с эластичной шиной на одном опорном ролике установки. Из графиков видно, что снижение коэффициента сцепления у шины, имеющей износ 90%, при нагрузке 1750 Н снижение составило 18%, а при нагрузке 3750 Н - 16%.
Авторами данной статьи были выполнены аналогичные исследования по изменению тормозной силы заблокированного колеса при увеличении износа беговой дорожки шины на силовом тормозном стенде СТМ-3500 фирмы МЕТА. Результаты исследований представлены на рис. 10 и 11.
Результаты проведенного исследования показывают, что математическое ожидание величины тормозной силы у новых шин левого и правого тормозящего колеса при заданном проскальзывании составили 2,7 и 2,71 кН соответственно. Для изношенных на 90% шин величина тормозной силы составила 1,65 и 1,77 кН. При проведении измерений масса передней оси автомобиля составила 720 кг. При пересчете были получены следующие значения коэффициента сцепления: для новой шины левого колеса ф = 0,76, правого колеса -ф = 0,77; для изношенной шины левого колеса ф = 0,47, правого колеса - ф = 0,5.
Рис. 8. Графики зависимости коэффициента сцепления эластичной шины с плоской опорной поверхностью при торможении заблокированного колеса Fig. 8. Dependency graphs of the adhesion coefficient of an elastic tire with the flat supporting surface under locked wheel braking
Рис. 9. Графики зависимости коэффициента сцепления эластичной шины при торможении заблокированного колеса на одном опорном ролике Fig. 9. Dependency graphs of the adhesion coefficient of an elastic tire under locked wheel braking on one supporting roller
b
Рис. 10. Распределение значений тормозных сил на переднем левом колесе автомобиля NISSAN SUNNY FB15, при 40 измерениях на тормозном роликовом стенде СТМ 3500: а - новая шина; b - протектор беговой дорожки шины изношен на 90% Fig. 10. Distribution of braking force values on the front left wheel of the NISSAN SUNNY FB15 car under 40 measurements on the STM 3500 braking roller test bench: a - new tire; b - 90% wear of the tire tread pattern
a
f м
" III 02 01 |—И И m
2,4 гв
3,2
3,6
4 F т. кН
0,6
1,4 1.!
п гь
b
Рис. 11. Распределение значений тормозных сил на переднем правом колесе автомобиля NISSAN SUNNY FB15, при 40 измерениях на тормозном роликовом стенде СТМ 3500:
а - новая шина; б -протектор беговой дорожки шины изношен на 90% Fig. 11. Distribution of braking force values on the front right wheel of the NISSAN SUNNY FB15 car under 40 measurements on the STM 3500 braking roller test bench: a - new tire; b - 90% wear of the tire tread pattern
Заключение
Результаты проведенных исследований позволяют утверждать, что коэффициент сцепления эластичной шины с опорной поверхностью с уменьшением остаточной высоты рисунка протектора, снижается. В лабораторных условиях при торможении заблокированного колеса на плоской опорной поверхности минимальное снижение коэффициента сцепления составило 24%. Для торможения заблокированного колеса на поверхности одиночного опорного ролика минимальное снижение коэффициента сцепления составило 16%. Результаты, полученные на исследовательской установке
в лаборатории кафедры «Автомобильный транспорт» ИРНИТУ коррелируют с результатами, полученными на силовом тормозном стенде СТМ-3500. Результаты проведенного исследования не противоречат и результатам других исследователей [9, 10]. При этом они гармонично дополняют их.
Для получения более полной картины процессов, происходящих в пятне контакта эластичной шины с опорной поверхностью, необходимо провести ряд экспериментов на автомобиле в дорожных условиях.
Библиографический список
1. Сведения о показателях состояния безопасности дорожного движения [Электронный ресурс]. URL: http://stat.gibdd.ru/ (14.07.2017).
2. О безопасности колесных транспортных средств: технический регламент Таможенного союза ТР ТС 018-2011 [Электронный ресурс]. URL: http://docs.cntd.ru/document/902320557 (14.07.2017).
3. Евтюков С.А. Влияние факторов на сцепные качества покрытий автомобильных дорог // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 3 [Электронный ресурс]. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=6099 (14.07.2017).
4. Бойко А.В., Яньков О.С., Марков А.С. Причины
отличия характеристик сцепления эластичнои шины с плоской и цилиндрической опорной поверхностью // Авиамашиностроение и транспорт Сибири -2015: сб. науч. тр. студентов и преподавателей Института АМиТ ИРНИТУ. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2015. С. 34-38.
5. Пилюшина Г.А., Звонников П.В. Влияние условий эксплуатации автомобильных шин на коэффициент сцепления // Новые материалы и технологии в машиностроении: сб. науч. тр.; под общ. ред. Е.А. Памфилова. Брянск, Изд-во БГИТА, 2015. Вып. 21. 122 с.
6. Ботвинева Н.Ю., Буракова И.С., Стрельцова Т.Н.,
a
Нестерчук А.В. Исследование влияния погодных условий на величину коэффициента сцепления шин с дорожным покрытием // Фундаментальные исследования. 2013. № 11-3. С. 407-411.
7. Исаев Е.У., Соломатин Н.С., Ковтун В.В., Карпов В.М. Этапы разработки легкового автомобиля. Тольятти: Изд-во ТГУ, 2005. 82 с.
8. Федотов А.И., Бойко А.В., Буранов А.В., Цогт Доржсурэн. Экспериментальное исследование параметров, характеризующих взаимодействие автомобильного колеса с опорными роликами диагно-
Re
1. Svedeniya o pokazatelyakh sostoyaniya bezopas-nosti dorozhnogo dvizheniya [Information on the indicators of the road safety state]. Available at: http://stat.gibdd.ru/ (accessed 14 July 2017).
2. O bezopasnosti kolesnykh transportnykh sredstv: tekhnicheskii reglament Tamozhennogo soyuza TR TS 018-2011 [On the Safety of Motor Vehicles: Technical regulations of the Customs Union ТР ТС 018-2011]. Available at: http://docs.cntd.ru/document/902320557 (accessed 14 July 2017).
3. Evtyukov S.A. Influence of factors on coupling qualities of coverings of highways. Sovremennyye problemy nauki i obrazovaniya. [Modern problems of science and education]. Online journal, 2012, no. 3. Available at: https://science-education.ru/en/article/view?id=6099 (accessed 14 July 2017).
4. Boiko A.V., Yan'kov O.S., Markov A.S. Prichiny ot-lichiya kharakteristik stsepleniya elastichnoi shiny s ploskoi i tsilindricheskoi opornoi poverkhnost'yu [The reasons for the difference in traction characteristics of an elastic tire and a flat and cylindrical bearing surface]. Sbornik nauchnykh trudov studentov i prepodavatelei Instituta aviamashinostroeniya i transporta IRNITU "Aviamashinostroenie i transport Sibiri - 2015" [Collection of scientific articles of students and lecturers of the Institute of Aircraft Engineering and Transport]. Irkutsk: IrGTU Publ., 2015. pp. 34-38. (In Russian)
5. Pilyushina G.A., Zvonnikov P.V. Vliyanie uslovii ek-spluatatsii avtomobil'nykh shin na koeffitsient stsepleni-ya [Influence of conditions of operation of automobile tires on coupling factor]. Sbornik nauchnykh trudov
Критерии авторства
Федотов А.И., Марков А.С., Яньков О.С., Овчинникова Н.И. изучили влияние износа рисунка протектора беговой дорожки шины на характеристики ее сцепления с опорной поверхностью, провели обобщение и написали рукопись. Федотов А.И., Марков А.С., Яньков О.С., Овчинникова Н.И. имеют равные авторские права и несут одинаковую ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 23.10.2017 г.
стических стендов // Вестник ИрГТУ. 2009. № 4 (40). С. 72-77.
9. Марков А.С., Овчинникова Н.И. Исследование коэффициента трения эластичной автомобильной шины при изменении износа рисунка протектора // Вестник ИрГТУ. 2017. Т. 21. № 2. С. 181-189. й01: 10.21285/1814-3520-2017-2-181-189.
10. Петров М.А. Работа автомобильного колеса в тормозном режиме. Омск: Зап.-Сиб. кн. изд-во, 1973. 224 с.
"Novye materialy i tekhnologii v mashinostroenii" [Collection of scientific articles "New Materials and Technologies in Mechanical Engineering"]. Bryansk, BGITA Publ., 2015, issue 21, 122 p. (In Russian)
6. Botvineva N.Yu., Burakova I.S., Strel'tsova T.N., Nesterchuk A.V. Research of weather conditions effect on the coefficient of coupling between tire and coverings of highways. Fundamental'nye issledovaniya [Fundamental research]. 2013, no. 11-3, pp. 407-411. (In Russian)
7. Isaev E.U., Solomatin N.S., Kovtun V.V., Karpov V.M. Etapy razrabotki legkovogo avtomobilya [Motor car development stages]. Tol'yatti: TSU Publ., 2005, 82 p. (In Russian)
8. Fedotov A.I., Boiko A.V., Buranov A.V., Tsogt Dorzhsuren. The experimental study of the parameters characteristic of interaction of an automobile wheel with the bearing rollers of diagnostic stands. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2009, no. 4 (40), pp. 72-77. (In Russian)
9. Markov A.S., Ovchinnikova N.I. Studying elastic vehicle tire friction coefficient under changed tread wear patterns. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2017, vol. 21, no. 2, pp. 181-189. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-2-181189.
10. Petrov M.A. Rabota avtomobil'nogo kolesa v tormoznom rezhime [Car wheel operation under braking]. Omsk: Zapadno-Sibirskoe knizhnoe izdatel'stvo [Omsk: West - Siberian Book Publishers ]. 1973, 224 p. (In Russian)
Authorship criteria
Fedotov A.I., Markov A.S., Yankov O.S., Ovchinnikova N.I. have studied the effect of tread pattern wear on the characteristics of tire adhesion with the supporting surface, generalized the material and wrote the manuscript. Fedotov A.I., Markov A.S., Yankov O.S., Ovchinnikova N.I. have equal author's rights 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 23 Oktober 2017
