Экспериментальное исследование процесса переезда автомобилем единичной неровности

Оригинальная статья / Original article УДК 629.113.001

http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2017-11-191-198

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПЕРЕЕЗДА АВТОМОБИЛЕМ ЕДИНИЧНОЙ НЕРОВНОСТИ

© Н.Ю. Кузнецов1, А.В Лысенко2, В.Г. Зедгенизов3

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

РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Исследовать влияние технического состояния автомобильных амортизаторов на качество сцепления эластичной шины автомобильного колеса с опорной поверхностью. МЕТОДЫ. В эксперименте был использован метод переезда шины через единичное препятствие при ее качении по опорной поверхности полимерно-бетонного покрытия. Эксперименты проводились в стендовых условиях на специальном шинном тестере, разработанном на кафедре «Автомобильный транспорт» Иркутского национального исследовательского технического университета. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Разработаны методики проведения экспериментов по определению нестационарных характеристик увода эластичных шин и по определению нестационарных динамических характеристик эластичной шины в процессе ее переезда через единичное препятствие. Предварительно были выявлены зависимости физических параметров от электрического сигнала систем измерения стенда. Результаты экспериментов представлены в виде графиков. ВЫВОДЫ. Полученные результаты являются хорошим инструментом для проверки адекватности математической модели процесса взаимодействия эластичной шины автомобильного колеса с опорной поверхностью.

Ключевые слова: амортизатор, подвеска, единичное препятствие, стендовый метод, полимерно-бетонное покрытие, боковая реакция, нормальная реакция, увод, нестационарные динамические характеристики.

Формат цитирования: Кузнецов Н.Ю., Лысенко А.В, Зедгенизов В.Г. Экспериментальное исследование процесса переезда автомобилем единичной неровности // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 11. С. 191-198 DOI: 10.21285/1814-3520-2017-11-191-198

EXPERIMENTAL STUDY OF THE PROCESS OF VEHICLE RUNNING OVER A SINGLE BUMP N.Yu. Kuznetsov, A.V. Lysenko, V.G. Zedgenizov

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk 664074, Russian Federation.

ABSTRACT. The PURPOSE of the article is to study the influence of the technical condition of vehicle shock absorbers on the quality of wheel elastic tire grip on the supporting surface. METHODS. The method of a single bump running over by a tire when it is rolling on the supporting surface of polymer concrete coating has been used in the experiment. The experiments were conducted in test-bench conditions on a special tire tester developed at the Department of Automotive Transport of Irkutsk national research technical university. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The methods for conducting experiments on the determination of the nonstationary characteristics of elastic tire slip and nonstationary dynamic characteristics of an elastic tire when it rolls over a single bump have been developed. The physical parameter dependences on the electrical signal of the test-bench measurement systems have been identified earlier. The experiment results are presented in the form of graphs. CONCLUSIONS. The obtained results are a good tool for checking the adequacy of the mathematical model of the interaction process of the vehicle wheel elastic tire and the supporting surface. Keywords: shock absorber, suspension, single bump, test-bench method, polymer-concrete coating, side reaction, normal reaction, slip, non-stationary dynamic characteristics

For citation: Kuznetsov N.Y., Lysenko A.V., Zedgenizov V.G. Experimental study of the process of vehicle running over a single bump. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 11, pp. 191-198. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-11-191-198

1

Кузнецов Николай Юрьевич, аспирант, e-mail: Kuznetsovk92@mail.ru Nikolay Y. Kuznetsov, postgraduate student, e-mail: Kuznetsovk92@mail.ru

2Лысенко Андрей Владимирович, аспирант, e-mail: stobravo@gmail.com Andrey V. Lysenko, postgraduate student, e-mail: stobravo@gmail. com

3Зедгенизов Виктор Георгиевич, доктор технических наук, профессор кафедры строительных дорожных машин и гидравлических систем, e-mail: vigez@istu.edu

Viktor G. Zedgenizov, doctor of technical Sciences, Professor of the Department "Construction and road machines and hydraulic systems", e-mail: vigez@istu.edu

Введение

Автомобиль был и остается одним из самых опасных видов транспорта. Опасность автомобиля заключается в том, что этот материальный объект, имея массу от 1 до 50 т и более, двигаясь с высокими скоростями, удерживается на дороге только за счет сил трения колес о ее поверхность4 [1-3]. Более половины ДТП в России происходит по причине потери автомобилями устойчивости движения и управляемости. Эти факторы определяются стабильностью контакта шин автомобилей с дорогой5 [3].

Стабильность контакта колес с дорогой сильно зависит от технического состояния подвески, которое в процессе эксплуатации автомобилей изменяется [4]. Из всех деталей и узлов подвески наиболее часто выходит из строя амортизатор. Поэтому исследование, направленное на выявление влияния его технического состояния на способности автомобильной шины к созданию боковой реакции, является актуальным4 [3-9].

Методики проведения и результаты экспериментов

Известно, что автомобиль, на который действует боковая сила Ру, будет сохранять устойчивое движение до тех пор, пока выполняется условие [3]

Ry <№ф2

где X- суммарная нормальная реакция

в пятнах контакта шин автомобильных колес с опорной поверхностью дороги; Ф - коэффициент сцепления шины с опорной поверхностью дороги; - боковая реакция; Rх - продольная реакция; - нормальная реакция.

Параметры, входящие в это уравнение, можно определить как экспериментально, так и аналитически с помощью математического описания процесса переезда колеса через единичную неровность [3]. При этом качение колеса может сопровождаться боковым уводом шины. Если при этом учитывать изменение технического состояния амортизатора, то можно с высокой достоверностью оценивать его влияние

на способность шины создавать боковую реакцию.

С этой целью на базе шинного тестера, имеющего систему для исследования характеристик шин, был разработан стенд, общий вид которого представлен на рис. 1 [9].

Стенд имеет системы измерения: боковой реакции, нормальной реакции, угла увода, окружной скорости качения колеса. Перед проведением эксперимента была выполнена тарировка этих систем. Тарировка систем измерения нормальной и боковой реакций производилась путем дискретного изменения нагрузки на датчики 2 и 12. На основе полученных значений в среде Microsoft Excel были построены тариро-вочные графики зависимостей Ry = f(Uy) и Rz = f(Uz). Для каждой зависимости были вычислены соответствующие им уровни достоверности аппроксимации R2. Графики, полученные в результате тарирования систем измерения нормальной и боковой реакций, представлены на рис. 2.

Степанов И.С., Покровский Ю.Ю., Ломакин В.В., Москалева Ю.Г. Влияние элементов системы «водитель - автомобиль - дорога - среда и безопасность дорожного движения»: учеб. пособие для студентов, обучающихся по специальности «Автомобиле- и тракторостроение». М.: Изд-во МАМИ, 2011. 171 с. / Stepanov I.S., Pokrovsky Yu.Yu., Lomakin V.V., Moskaleva Yu.G. Influence of the elements of the system "driver - vehicle - road - environment and road safety". Moscow: MAMI Publ., 2011, 171 p.

5Соломатин Н.С. Испытания узлов, агрегатов и систем автомобиля: учеб. пособие для студентов вузов. Тольятти: Изд-во ТГУ. 2013. 142 с. / Solomatin N.S. Testing vehicle units, assemblies and systems: Learning aids for university students. Togliatti: TSU Publishing house. 2013. 142 p.

2

Рис. 1. Общий вид стенда для исследования нестационарных динамических характеристик эластичных шин: 1 - нагружающий винт c опорой датчика нормальной нагрузки с подшипником; 2 - датчик измерения нормальной нагрузки ДСТ 9035; 3 - узел пружины с испытуемым амортизатором; 4 - вал вилки; 5 - ПК; 6 - рулевое колесо; 7 - рама стенда; 8 - беговой барабан со специальным полимерным покрытием; 9 - единичное препятствие; 10 - датчик регистрации угла увода колеса; 11 - лазер; 12 - датчик измерения нормальной нагрузки ДСТ 9035; 13 - гильза; 14 - КПП; 15 - сцепление; 16 - электродвигатель; 17 - колесо с эластичной шиной; 18 - проградуированная шкала Fig. 1. General view of the test-bench for studying non-stationary dynamic characteristics of elastic tires: 1 - load screw with the support of the normal load sensor with a bearing; 2 - sensor measuring the normal load DST 9035; 3 - spring assembly with the tested shock absorber; 4 - fork shaft; 5 - PC; 6 - steering wheel; 7 - test-bench frame; 8 - chassis dynamometer test-bench with a special polymer coating; 9 -single bump; 10 - sensor of the wheel slip angle; 11 - laser; 12 - sensor measuring the normal load of DST 9035; 13 - cartridge; 14 - change speed gearbox; 15 - clutch; 16 - motor; 17 - wheel with an elastic tire;

18 - scale with graduations

Напряжение, oltage,

b

Рис. 2. Тарировочные графики систем измерения нормальной Rz

а

Тарировка датчика 10 системы измерения угла увода проводилась при помощи рулевого механизма, имеющего в своей конструкции рулевое колесо 6, червячный редуктор, рулевую сошку и лазер 11, луч которого направлен на проградуи-рованную шкалу 18. При повороте рулевого колеса 6 луч лазера откланяется на тот же угол, на который поворачивается испытуемое колесо с эластичной шиной 17. Электрический сигнал датчика поступает на АЦП ZET 210, регистрируется в виде таблицы и сохраняется на жесткий диск персонального компьютера 5 (см. рис. 1). На основе полученных в среде Microsoft Excel значений был построен тарировочный график зависимости ö = f(üö) (рис. 3).

Система измерения окружной скорости колеса не требует тарировки, так как программное обеспечение ZETlab имеет функцию «торсиограф», которая позволяет получить частоту его вращения n в реальных физических величинах (обороты за 1 с). Зная радиус барабана, подставим полученные значения n в приведенную ниже формулу и получим значение окружной скорости бегового барабана УБ, км/ч:

УБ =

л- n  R  3,6 2

где л = 3,14; п - частота вращения бегового барабана, об./с; R - радиус бегового барабана, м.

Методика проведения эксперимента по определению нестационарных характеристик. Перед началом эксперимента по определению нестационарных динамических характеристик эластичной шины при ее переезде через единичную неровность возникла необходимость в проведении исследования по определению нестационарных характеристик неустановившегося увода при разных скоростях качения шины по опорной поверхности бегового барабана и нормальных нагрузках. Это нужно для определения критического угла увода, так как при значениях угла увода выше критического эксперимент по определению нестационарных динамических характеристик эластичных шин не имеет смысла ввиду возникновения вибраций при постоянном срыве пятна контакта шины с опорной поверхностью.

Рис. 3. Тарировочный график датчика измерения угла увода колеса с эластичной шиной Fig. 3. Calibration graph of the sensor measuring the slip angle of the wheel with an elastic tire

Методика пошагово состоит из следующих действий:

• запустить электродвигатель 16 при помощи магнитного пускателя, сцепление 15 должно быть выключено;

• включить первую передачу при помощи рычага селектора коробки перемены передач (КПП) 14 и плавно включить сцепление; при этом крутящий момент, передаваемый через КПП и цепную передачу, приводит беговой барабан с полимерно-бетонным покрытием в движение;

• создать нормальную нагрузку (3000 Н) на колесо с эластичной шиной путем вращения винта 1; в результате колесо с испытуемой эластичной шиной начнет контактировать с опорной поверхностью барабана и будет вращаться;

• обеспечить угол увода эластичной шины колеса, равный нулю;

• выдержать в течение 15-20 мин вышеуказанный режим с целью прогрева эластичной шины колеса;

• после того, как шина прогрелась, не изменяя нормальную нагрузку на колесо, повернуть автомобильное колесо на угол 22-25 град. при помощи рулевого механизма, а затем обратно в нулевое положение. Датчик боковой реакции и датчик угла поворота колеса передают сигнал через АЦП на компьютер;

• зарегистрировать все полученные сигналы в программе ZETlab и сохранить на жестком диске компьютера в виде табличных значений;

• далее изменять нагрузку и варьировать скорость вращения барабана, сохраняя результаты эксперимента на жесткий диск компьютера;

• экспортировать табличные значения в лист программы Microsoft Excel и, подставляя в соответствующие формулы полученные в результате тарировок датчиков измерения, получить реальные значения физических величин;

• по полученным результатам построить графики зависимости коэффициента бокового сцепления от угла увода;

• построить линию полинома;

• определить значение критического угла увода по максимальному значению линии полинома (в зоне увода со скольжением). Некоторые нестационарные характеристики неустановившегося увода в виде графиков представлены на рис. 4.

Значения критических углов увода, которые определены в результате эксперимента, проведенного по данной методике, дают возможность получения достоверных результатов при осуществлении эксперимента по определению нестационарных динамических характеристик эластичной шины в процессе ее переезда через единичное препятствие. Значения критических углов увода сведены в таблицу.

Методика проведения эксперимента по определению нестационарных динамических характеристик эластичной шины. Последовательность действий при проведении данного эксперимента такова:

• запустить электродвигатель 16 при помощи магнитного пускателя, сцепление 15 должно быть выключено;

• включить первую передачу при помощи рычага селектора КПП 14 и медленно включить сцепление; крутящий момент, передаваемый через КПП и цепную передачу, приводит в движение беговой барабан с полимерно-бетонным покрытием;

• создать нормальную нагрузку (3000 Н) на колесо с эластичной шиной путем вращения винта 1; в результате колесо с испытуемой эластичной шиной начнет контактировать с опорной поверхностью барабана и будет вращаться;

• обеспечить угол увода эластичной шины колеса, равный нулю;

• выдержать в течение 15-20 мин вышеуказанный режим с целью прогрева эластичной шины колеса;

• после того, как шина прогреется, остановить двигатель;

• установить на беговой барабан единичную неровность;

-û <л

= о

=3 ^ £

- tf

0 ш 73

5F о. «и

1  " го

53 Si го

со £ ю

о - ю

£ со ш

ЕР сз

>> <D >

Ш ^ >

О О <D

О

Коэффициент бокового сцепления / Coefficient of side adhesion

Коэффициент бокового сцепления / Coefficient of side adhesion b

Коэффициент бокового сцепления / Coefficient of side adhesion

Коэффициент бокового сцепления / Coefficient of side adhesion

c

d

Рис. 4. Нестационарные характеристики неустановившегося увода шины MICHELIN 195/65 R15, давление в шине P = 0,21 МПа: a - V = 24 км/ч; Rz = 2500 H; b - V = 24 км/ч; Rz = 3000 H; c - V = 44 км/ч; Rz = 2500 H; d - V = 44 км/ч; Rz = 3000 H Fig. 4. Non-stationary characteristics of the unsteady slip of tire MICHELIN 195/65 R15, tire pressure P = 0.21 MPa: a - V = 24 km/h; Rz = 2500 N; b - V = 24 km/h; Rz = 3000 N; c - V = 44 km/h; Rz = 2500 N; d - V = 44 km/h; Rz = 3000 N

a

Значения критических углов Values of critical angles

Нормальная реакция, Н / Normal reaction, N Окружная скорость колеса, км/ч / Wheel rotation speed, km/h Критический угол увода, град./ Critical slip angle, degrees

1500 14,4 13,5

2000 12,4

2500 11,3

3000 9,7

1500 24,4 11,3

2000 9,5

2500 8,8

3000 8,2

1500 44,3 9,7

2000 9,2

2500 8,8

3000 7,9

• не изменяя нормальную нагрузку на колесо, повернуть автомобильное колесо на 2 град. при помощи рулевого механизма, датчики измерения боковой и нормальной реакции, а также датчик регистрации угла увода колеса должны в этот момент передавать сигнал через АЦП на компьютер;

• сохранить все полученные сигналы в программе ZETlab на жестком диске компьютера в виде табличных значений;

• затем, изменяя нагрузку и угол увода колеса до значения критического уг-

ла (см. таблицу) и варьируя скорости, сохранять полученные результаты;

• экспортировать табличные значения в лист программы Microsoft Excel и, подставляя их в соответствующие формулы, полученные в результате тарировок систем измерения, вычислить реальные значения физических величин;

• построить по полученным результатам графики зависимостей Rz = f(t); Ry = f (t );ФУ = f (t ) (рис. 5).

SS

3SOO 30« 2SOO 2000 1SOO 1000 5G0 9

-SOD 1000

l.....i ..c. J.

, pjvvyw4

Vi 1

• Sc yrvV'VV^^—

u

0,7 0.6 0,5 0,4 0.3 0,2 0,1 0 •0,1 •0.2

0.2

0.4

0.6

0.8

О

o»

a> 5 = t Is

Время, с / Time, с

......Нормальная реакция. Rz / Normal reaction, Rz

— Боковая реакция, Ry / Side reaction Rv

_ Коэффициент бокового сцепления /

Coefficient of side adhesion

b

a

Рис. 5. Графики нестационарных динамических характеристик эластичной шины MICHELIN195/65 R15. Давление в шине P=0,21 МПа; окружная скорость барабана - 14,4 км/ч; высота неровности - 20 мм; амортизатор неисправен. а - угол увода - 2 град.; b - угол увода - 4 град. Fig. 5. Graphs of non-stationary dynamic characteristics of elastic tire MICHELIN 195/65 R15. Tire pressure P=0.21 MPa; rotation speed of the chassis dynamometer- 14.4 km/h; bump height - 20 mm, the shock absorber is faulty; a - slip angle of 2 degrees; b -slip angle of 4 degrees.

Выводы

Полученные результаты являются хорошим инструментом для проверки адекватности и настройки математической мо-

дели, описывающей процессы взаимодействия эластичной шины автомобильного колеса с опорной поверхностью.

Библиографический список

1. Гуревич Л.В., Меламуд Р.А. Тормозное управление автомобиля. М.: Транспорт, 1978. 152 с.

2. Lister R. Retention of Directional Control When Braking // S.A.E. Prep. s. a. No. 650092. P. 432-449.

3. Федотов А.И., Лысенко А.В., Тихов-Тинников Д.А. Контроль технического состояния подвески автомобилей в условиях эксплуатации методом движения по поперечному уклону // Журнал автомобильных инженеров. 2015. № 6. С. 51-53.

4. Кувшинов В.В, Павлов В.В. Экспериментальное определение характеристик гидравлических амортизаторов транспортных средств на специальных стендах // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). 2016. № 3 (46). С. 55-62.

5. Sudarshan Martande, Y.N. Jangale, N.S. Motgi. Design and Analysis of Shock Absorber // International Journal of Application or Innovation in Engineering &

Management (IJAIEM). 2013. Vol. 2. Issue 3. P. 195-199.

6. Sobczak P. Procédure of linear decimation in car suspension diagnosis // Transport problems. 2009. Vol. 4. Issue 3. Part 1. P. 105-112.

7. Мухучев Ш.М., Анализ преимуществ и недостатков известных способов диагностики амортизаторов автомобилей // Транспорт. Экономика. Социальная сфера (актуальные проблемы и их решения): сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. (Пенза,17-19 сентября 2014 г.). Пенза: Изд-во ПГАУ, 2014. С. 93-96.

8. Соломатин Н.С., Черепанов Л.А., Окунев А.П. Особенности моделирования системы подрессори-

вания силового агрегата переднеприводного легкового автомобиля методом конечных элементов // Проведение научных исследований в области машиностроения: материалы Всерос. науч.-техн. конф. с элементами научной школы для молодежи (Тольятти, 27-28 ноября 2009 г.). В 3 ч. Тольятти: Изд-во ТГУ, 2009. Ч. 2. С. 219-221. 9. Федотов А.И., Кузнецов Н.Ю., Лысенко А.В., Ти-хов-Тинников Д.А. Шинный тестер для исследования характеристик эластичных шин при движении колеса с уводом // Вестник ИрГТУ. 2016. № 2 (109). С. 123-126.

References

1. Gurevich L.V., Melamud R.A. Tormoznoe upravlenie avtomobilya [Brake control of the motor vehicle]. Moscow: Transport Publ., 1978, 152 p.

2. Lister R. Retention of Directional Control When Braking // S.A.E. Prep. s. a., no. 650092, pp. 432-449.

3. Fedotov A.I., Lysenko A.V., Tikhov-Tinnikov D.A. [Control of vehicle suspension technical condition while in operation by the method of crossfall movement]. Zhurnal avtomobil'nykh inzhenerov [Journal of Automobile Engineers]. 2015, no. 6, pp. 51-53.

4. Kuvshinov V.V, Pavlov V.V. Experimental characterization of hydraulic shock adsorbers of vehicles at special stands Vestnik Moskovskogo avtomobil'no-dorozhnogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo univer-siteta

5. Sudarshan Martande, Y.N. Jangale, N.S. Motgi. Design and Analysis of Shock Absorber. International Journal of Application or Innovation in Engineering & Management (IJAIEM). 2013, vol. 2, issue 3, pp. 195-199.

6. Sobczak P. Procedure of linear decimation in car suspension diagnosis. Transport problems. 2009, vol. 4, issue 3, part 1, pp. 105-112.

7. Mukhuchev Sh.M., Analiz preimushchestv i nedostat-kov izvestnykh sposobov diagnostiki amortizatorov avtomobilei [Analysis of advantages and disadvantages

of known diagnosis methods of vehicle shock absorbers]. Sbornik statei Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii "Transport. Ekonomika. Sot-sial'naya sfera

8. Solomatin N.S., Cherepanov L.A., Okunev A.P. Oso-bennosti modelirovaniya sistemy podressorivaniya silo-vogo agregata peredneprivodnogo legkovogo avtomobilya metodom konechnykh elementov [Features of springing system modeling for the power unit of a frontdrive motor vehicle by the finite element method]. Mate-rialy Vserossiiskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii s elementami nauchnoi shkoly dlya molodezhi "Provedenie nauchnykh issledovanii v oblasti mashi-nostroeniya" [Proceedings of All-Russia scientific and technical conference with the elements of a scientific school for youth "Conducting scientific researches in the field of mechanical engineering"]. Tol'yatti: TGU Publ., 2009, part 2, pp. 219-221.

9. Fedotov A.I., Kuznetsov N.Yu., Lysenko A.V., Tikhov-Tinnikov D.A. Tire tester to study elastic tire characteristics when a wheel rolls with a skid. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2016, no. 2

Критерии авторства

Авторы заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.

Authorship criteria

The authors declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Conflict of interests

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

Статья поступила 23.10.2017 г.

The article was received 23 October 2017