Способ определения коэффициента поперечного сцепления эластичной шины автомобильного колеса
METHOD FOR DETERMINING THE SIDE FRICTION FACTOR OF THE ELASTIC TIRE OF THE CAR WHEEL

Изобретение относится к технической эксплуатации автомобилей, а именно к технологии определения коэффициента поперечного сцепления эластичной шины автомобильного колеса в условиях эксплуатации.
Коэффициент поперечного сцепления является параметром, оценивающим потенциальную способность эластичных шин автомобильных колес создавать боковые реакции на действие боковых сил и тем самым обеспечивать поперечную устойчивость автотранспортного средства (АТС) на дороге. Боковая сила возникает при движении автомобиля на повороте, боковом уклоне, при действии бокового ветра и т.д. Знание коэффициентов поперечного сцепления автомобильных шин в конкретных дорожно-климатических условиях позволяет оценить поперечную устойчивость всего АТС, являющейся важным эксплуатационным свойством и фактором его активной безопасности.
Из теории эксплуатационных свойств АТС [см. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств: Учебник для вузов по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство». - М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.: ил.] известно, что коэффициент поперечного сцепления представляет собой отношение максимально возможной по условиям сцепления боковой силы к нормальной реакции, действующей в пятне контакта шины с опорной поверхностью. Определение максимально возможной по условиям сцепления боковой силы заключается в измерении боковой реакции в пятне контакта шины с опорной поверхностью, что является сложной технической задачей.
Наиболее распространенными способами определения коэффициента поперечного сцепления являются способы, использующие одно или два измерительных колеса с эластичными шинами, совершающих качение по опорной поверхности дороги с заданными продольной скоростью и углом поворота по отношению к прямолинейному направлению движения.
Известны способы [см. Авторское свидетельство SU №1153273, AG01N 19/02, опубл. 30.04.85, бюл. №16; Патент RU №2293816, E01C 23/07, опубл. 20.02.07, бюл. №5; Патент RU №2107275, G01M 17/02, опубл. 20.03.98, бюл. №11; Патент RU №2351705, E01C 23/07, опубл. 10.04.09], использующие одно измерительное колесо.
Известный способ определения боковой реакции [см. Авторское свидетельство SU №1153273, AG01N 19/02, опубл. 30.04.85, бюл. №16] предусматривает измерение угла поворота одного из звеньев шарнирного узла, перемещающегося под действием боковой силы, приложенной к измерительному колесу.
Недостатком известного способа является низкая точность определения боковой реакции вследствие нестабильности передаточной функции трехзвенного шарнира из-за возникновения трения и износа в его сопряжениях.
Невысокой точностью обладает и способ [см. Патент RU №2351705, E01C 23/07, опубл. 10.04.09], при котором боковую реакцию определяют по величине крутящего момента, подводимого от электродвигателя через механический планетарный привод к измерительному колесу для его отклонения на заданный угол увода.
В способах [см. Патент RU №2107275, G01M 17/02, опубл. 20.03.98, бюл. №114; Патент RU №2293816, E01C 23/07, опубл. 20.02.07, бюл. №5] необходимая точность достигается непосредственным измерением боковой реакции, передаваемой от шины на ось измерительного колеса.
Однако общим недостатком вышеперечисленных способов является возникновение неуравновешенной составляющей от боковой реакции, вызывающей изменение прямолинейного направления движения центра измерительного колеса.
b
b
а
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения коэффициента сцепления дорожного покрытия [см. Патент на изобретение RU №2498271, G01N 19/00, опубл. 10.11.13] с применением двух измерительных колес, расположенных соосно и с одинаковыми углами поворота относительно прямолинейного направления движения. По известному способу коэффициент сцепления находят как отношение бокового касательного усилия P, действующего в пятне контакта скользящего колеса перпендикулярно направлению движения, к величине нормальной реакции N и тангенсу угла α схождения управляемых колес. При этом величину P находят как произведение суммарной силы  на рычаге тяги рулевого управления на коэффициент, равный отношению длины поперечного рычага рулевой трапеции b к длине смещения (сноса) нормальной реакции в пятне контакта .
Недостатками известного способа являются противоречие с положениями теории эксплуатационных свойств АТС [см. Автомобиль: Теория эксплуатационных свойств: Учебник для вузов по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство». - М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.: ил.] в определениях сил для нахождения коэффициента поперечного сцепления эластичной шины с опорной поверхностью дороги, низкая точность определения длины смещения (сноса) нормальной реакции в пятне контакта шины колеса с опорной поверхностью дороги и невозможность дифференциального определения коэффициента поперечного сцепления для каждой из шин измерительных колес. Недостатками также являются и выбор в качестве измерительных колес штатных элементов конструкции транспортного средства - управляемых колес и рычагов рулевого управления; значительная масса самого транспортного средства, наличие штатной жесткой подвески управляемых колес, многозвенность рулевого привода, которые снижают точность определения коэффициента сцепления дорожного покрытия. При движении такого транспортного средства под управлением водителя с углами увода управляемых колес, приводящими к их скольжению по дорожному покрытию, резко снижается управляемость, устойчивость и активная безопасность транспортного средства, возрастает угроза жизни водителя-испытателя.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности, достоверности и безопасности измерения боковых и суммарной продольной реакций в пятнах контактов эластичных шин двух автомобильных колес с опорной поверхностью дороги.
x
Технический результат достигается тем, что в способе определения коэффициента поперечного сцепления эластичной шины автомобильного колеса, заключающемся в установке системы из двух автомобильных колес, расположенных симметрично относительно вектора продольной скорости, одновременном измерении угла бокового увода шин колес δ, нормальных нагрузок на колеса  и , продольной скорости движения системы колес V, с последующим определением коэффициентов поперечного сцепления эластичных шин левого и правого автомобильных колес, согласно изобретению непосредственно измеряют величины боковых ,  и суммарной продольной R реакций в пятнах контактов эластичных шин колес с опорной поверхностью дороги, причем буксирование системы колес с заданной продольной скоростью V обеспечивает качение эластичных шин колес с силовым боковым уводом, а коэффициенты поперечного сцепления эластичных шин для левого и правого автомобильных колес определяют по формуле:
,
где вертикальные реакции равны нормальным нагрузкам .
X
Суммарная продольная реакция R представляет собой суммарную силу сопротивления качения шин левого и правого колес и позволяет оценить гистерезисные потери в шинах.
Отличительными особенностями предлагаемого способа являются: непосредственное, инструментальное измерение величин боковых и суммарной продольной реакций в пятнах контактов эластичных шин левого и правого автомобильных колес с опорной поверхностью дороги при их буксировании; определение коэффициентов поперечного сцепления эластичных шин левого и правого автомобильных колес по формуле, что позволяет повысить точность, достоверность и безопасность измерения.
Заявляемый способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено схематическое изображение рассматриваемой системы из двух автомобильных колес с эластичными шинами, с обозначением геометрических, кинематических и силовых факторов, вид сверху; на фиг. 2 - схематическое изображение одного автомобильного колеса с эластичной шиной (левого), с обозначением геометрических, кинематических и силовых факторов, вид сбоку.
Для повышения точности измерения боковых реакций в пятнах контактов эластичных шин колес с опорной поверхностью дороги используют систему из двух одинаковых автомобильных колес 1 и 2 с эластичными шинами, установленными на поворотных осях симметрично относительно вектора продольной скорости V (см. фиг. 1 и 2).
x
к
X
X
Расстояние между центрами осей колес 1 и 2 выбирают равным среднему значению ширины колеи АТС - В. При приложении внешней продольной тяговой силы F к центру симметрии системы колес (точка А), передаваемой от автомобиля-тягача (на фиг. 1 не показан) на оси колес 1 и 2 в виде составляющих сил  и , колеса начинают вращаться с одинаковой угловой скоростью ω, обеспечивая поступательное движение системы колес с заданной продольной скоростью V и силовым боковым уводом. В пятнах контактов шин колес 1 и 2 с опорной поверхностью дороги возникают соответствующие реакции -  и , которые образуют суммарную силу R, являющейся реакцией продольной тяговой силе F. Рассмотренные силы и реакции отображены в прямоугольной системе координат XYZ, связанной с центром симметрии системы колес (точка А).
При качении колес 1 и 2 с заданным углом бокового увода δ вышеназванные реакции раскладываются на продольные ,  и боковые ,  составляющие силы. Боковые составляющие силы  и , действующие по нормали к плоскостям вращения колес, представляют собой боковые реакции в пятнах контактов шин с опорной поверхностью дороги, передаются на оси колес 1 и 2 и измеряются силоизмерительными датчиками 3 и 4.
X
X
Продольные составляющие силы  и  представляют собой продольные реакции в пятнах контактов шин и действуют в плоскостях вращения колес. Величины продольных тяговой силы F и соответствующей суммарной реакции R измеряют силоизмерительным датчиком 5.
Вертикальная реакция  в пятне контакта шины левого колеса равна нормальной нагрузке на колесо , создаваемой массой 6 (фиг. 2). Подбором грузов изменяют величину массы 6 и задают необходимые значения . Аналогично рассматривается для правого колеса. Величины нормальных нагрузок  и  на колеса 1 и 2 устанавливают одинаковые. За счет симметричного расположения колес относительно продольной оси системы колес обеспечивают уравновешивание проекций на ось X боковых реакций  и , что обеспечивает курсовую устойчивость рассматриваемой системы колес.
С учетом вышеназванных сил коэффициенты поперечного сцепления эластичных шин левого и правого автомобильных колес рассчитывают по формуле:
,
где вертикальные реакции равны нормальным нагрузкам .
Способ определения коэффициента поперечного сцепления эластичной шины автомобильного колеса реализуют следующим образом.
X
На измерительном участке дороги устанавливают систему из двух автомобильных колес 1 и 2 с эластичными шинами с заданным углом бокового увода δ. Подбором грузов устанавливают необходимые значения масс 6 и нормальных нагрузок  на левое и  на правое колеса. Буксированием системы колес 1 и 2 с заданной продольной скоростью V обеспечивают качение шин колес 1 и 2 с силовым боковым уводом. Далее осуществляют одновременное измерение силоизмерительными датчиками 3, 4 и 5 боковых реакций ,  и суммарной продольной реакции R. По формуле рассчитывают значения коэффициентов поперечного сцепления  для шин левого и правого колес.
Таким образом, определяют коэффициент поперечного сцепления для эластичной шины автомобильного колеса различного типа: летняя, зимняя, всесезонная и состояния протектора на разных дорожных покрытиях при изменении величин угла бокового увода, продольной скорости и нормальной нагрузки на колесо. Система автомобильных колес с эластичными шинами может быть реализована в виде устройства - шинного тестера, буксируемого автомобилем-тягачом (на фиг. 1, 2 не показано).
Для апробации предлагаемого способа был разработан и изготовлен шинный тестер, имеющий несущую раму с симметрично расположенными на ней относительно ее продольной оси автомобильными колесами с испытуемыми эластичными шинами. Оси колес поворачивают на заданный угол бокового увода с помощью специального винтового механизма с угловой мерной шкалой и фиксируют в этом положении.
Измерительный комплекс шинного тестера состоит из трех тензометрических датчиков, установленных на кронштейнах рамы тестера, многоканального тензоусилителя ZetLab, аналогово-цифрового преобразователя L-card и ноутбука, расположенных в кабине автомобиля-тягача.
Нормальные нагрузки на колеса шинного тестера задают половиной снаряженной массы самого тестера и массами грузов, расположенными спереди и сзади колес на кронштейнах. Варьирование нагрузки на одно колесо выполняют в диапазоне от 1800 до 3000 Н. Специально разработанная конструкция подвески колес обеспечивает постоянный контакт шин колес с опорной поверхностью дороги, курсовую устойчивость шинного тестера и его активную безопасность.
Буксирование шинного тестера осуществляют с помощью автомобиля марки Тойота Региус через штатное тягово-сцепное устройство, соединенное с дышлом тестера. Заданную продольную скорость движения шинного тестера устанавливают по спидометру автомобиля-тягача. При качении шин колес шинного тестера с силовым боковым уводом с помощью измерительного комплекса измеряют реакции, передаваемые от шин на оси колес и на дышло тестера. Обработку, хранение и вывод полученных результатов осуществляют в программной среде L-grapf, установленной в ноутбуке.
Пример конкретного выполнения способа определения коэффициентов поперечного сцепления эластичных зимних шин автомобильных колес марки Hankook 175/70 R13
X
При дорожных испытаниях зимних шин Hankook 175/70 R13 по предлагаемому способу с помощью разработанного шинного тестера при δ=7 град, V=15 км/ч и  измерением получены величины боковых реакций в пятнах контактов левой  и правой  шин колес. Измеренная суммарная продольная реакция, а следовательно, и суммарная сила сопротивления качению шин колес составила R=81,345 Н. На основании измеренных величин расчетом получены значения коэффициентов поперечного сцепления для левого  и правого  эластичных шин автомобильных колес.
Предлагаемый способ определения коэффициента поперечного сцепления эластичной шины автомобильного колеса по сравнению с прототипом (см. Патент на изобретение RU №2498271, G01N 19/00, опубл. 10.11.13) обладает высокой точностью, достоверностью и безопасностью измерения, позволяет оценить поперечную устойчивость всего АТС, являющейся важным эксплуатационным свойством и фактором его активной безопасности.