Экспериментальные исследования процесса взаимодействия эластичного колеса с беговым барабаном и дорогой

УДК 629.113.001

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛАСТИЧНОГО КОЛЕСА С БЕГОВЫМ БАРАБАНОМ И ДОРОГОЙ

© А.И. Федотов1, А.В. Бойко2, В.П. Халезов3

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

Предложен комплекс для экспериментальных исследований процессов, протекающих в пятне контакта шины с поверхностью дороги и бегового барабана, с помощью универсальной тензометрической площадки. Проведен эксперимент, произведен анализ нормальных и касательных напряжений в пятне контакта эластичной шины при взаимодействии с дорогой и беговым барабаном. Установлено, что формы и величина нормальных и касательных напряжений в пятне контакта колеса на дороге значительно отличаются от нормальных и касательных напряжений при качении эластичного колеса по беговому барабану. Ил. 11. Библиогр. 3 назв.

Ключевые слова: комплекс для экспериментальных исследований; процессы, протекающие в пятне контакта шины; универсальная тензометрическая площадка; нормальные и касательные напряжения в пятне контакта эластичной шины.

PILOT STUDIES OF ELASTIC WHEEL INTERACTION WITH CHASSIS DYNAMOMETER AND ROAD A.I. Fedotov, A.V. Boiko, V.P. Khalezov

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.

The paper proposes a complex for pilot studies of the processes occurring in the patch of tire contact with the road surface and chassis dynamometer by means of a multipurpose strain gage platform. The authors carried out an experiment, analyzed normal and tangential shearing stresses in elastic tire contact patch under the interaction with the road and chassis dynamometer. It is determined that forms and values of normal and tangential shearing stresses in a wheel contact patch on the road considerably differ from the normal and tangential shearing stresses when rolling an elastic wheel on a chassis dynamometer. 11 figures. 3 sources.

Key words: complex for pilot studies; processes occurring in a tire contact patch; multipurpose strain gage platform; normal and tangential shearing stresses in elastic tire contact patch.

В настоящее время контроль тормозных систем автотранспортных средств (АТС) в условиях эксплуатации может осуществляться как в дорожных, так и в стендовых условиях. Наиболее эффективным контролем тормозных систем автотранспортных средств для российского климата следует считать стендовые.

Однако, как пишет журнал «Автотранспортное предприятие», «предлагаемые различными фирмами стенды для оценки технического состояния тормозной системы при проведении государственного технического осмотра, например, моделей ЛТК и стационарных стендов моделей СТС Новгородского завода ГА-РО и зарубежной фирмы Са|1ес не могут дать объективные показатели поведения в транспортном потоке [1]».

Проведенные исследования на кафедре «Автомобильный транспорт» Иркутского государственного технического университета подтвердили необъектив-

ность оценки технического состояния тормозной системы автомобилей при диагностике на стендах с беговыми барабанами. Эксперименты по повторяемости измерений величины тормозных сил на передней оси автомобиля Toyota Corolla на тормозном стенде СТМ-3500 показали, что измеренные 40 раз значения тормозных сил одного и того же автомобиля на одном и том же стенде отличаются друг от друга в диапазоне ±27,9%. Значения удельной тормозной силы варьируются в диапазоне —20% [2].

Такими причинами неопределенности в результатах оценки тормозной системы автомобилей являются условия контроля технического состояния тормозной системы автомобилей. Одним из самых важных этих условий является пятно контакта колеса автомобиля на беговом барабане стенда по сравнению с дорогой. Так, длина пятна контакта шины с опорным роликом

1Федотов Александр Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры автомобильного транспорта, тел.: (3952) 405853, e-mail: fai@istu.edu

Fedotov Alexander, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Automobile Transport, tel.: (3952) 405853, e-mail: fai@istu.edu

2Бойко Александр Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры автомобильного транспорта,тел.: 89149293650, e-mail: veator@ramler.ru

Boiko Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Automobile Transport, tel.: 89149293650, e-mail: veator@ramler.ru

3Халезов Владимир Павлович, студент, тел.: 89501185769, e-mail: Halezov_vladimir@mail.ru Khalezov Vladimir, Student, tel.: 89501185769, e-mail: Halezov_vladimir@mail.ru

стенда диаметром 320 мм на 50% меньше, чем с поверхностью дороги, а с роликом диаметром 202 мм -на 52%, меньше чем с поверхностью дороги. Ширина пятна контакта шины с опорным роликом стенда диаметром 320 мм на 5,5% больше чем с поверхностью дороги, а с роликом диаметром 202 мм - на 13,4% больше чем с поверхностью дороги [3].

Основываясь на полученных результатах, исследовательская группа провела обследование процессов, протекающих в пятне контакта шины с опорной поверхностью бегового барабана и дороги, чтобы получить как можно больше информации о взаимодействии шины с опорной поверхностью и рекомендовать наиболее оптимальную кривизну поверхности бегового барабана. Для этого ученые ИрГТУ разработали комплекс, позволяющий измерить нормальные давления и касательные напряжения как в дорожных условиях, так и на роликовых диагностических стендах.

Структурная схема и внешний вид исследовательского комплекса представлены на рис. 1. Разработанный комплекс состоит из тензометрической балки, электронного блока усилителя сигнала, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и компьютера.

Площадка представляет жесткую коробчатую конструкцию 2 (рис. 2). Внутри площадки закреплен преобразователь, который при одном прокатывании колеса 9 позволяет фиксировать две величины: нормальное давление и касательное напряжение в продольном направление движении колеса.

Преобразователь для измерения нормальных и касательных напряжений (см. рис. 1) состоит из упругой пластины 1, на боковых поверхностях которой наклеены тензорезисторы 7. Тензорезисторы преобразователя включаются в измерительную цепь по мостовой схеме (рис. 3). Пластина 1 двумя винтами 4 прикреплена к промежуточной опоре 3 (рис. 2), которая, в свою очередь, крепится к опорной площадке 2.

Одна из боковых поверхностей пластины 1 входит в прорезь в опорном листе площадки 2. Для предотвращения поворота пластины 1 в центрах винтов 4 она имеет реактивный рычаг 5, соединенный с нежесткой пружиной 8. Эта пружина с помощью винтов закреплена на планке 6.

В состав электронного блока усилителя входит: источник питания +6 и -6 V; подстроечное сопротивление проволочного типа Р13, предназначенное для регулировки моста; тумблер переключения выходного сигнала с тензометрического датчика между миллиамперметром и платой усилителя сигнала; миллиамперметр, позволяющий контролировать процесс балансировки моста (рис. 3).

Аналогичную конструкцию имеет преобразователь для записи нормальных и касательных напряжений в контакте шин с опорной поверхностью в лабораторных условиях на беговом барабане (рис. 4, 5). Беговой барабан 10 имеет неровную поверхность, поэтому был спроектирован и изготовлен датчик, который может устанавливаться в беговой барабан стенда. Дугообразная площадка 2 крепежными болтами закрепляется в беговом барабане. Универсальная упругая пластина 1 аналогично закрепляется в площадке 2. При вращении барабана, которое будет осуществляться с помощью электродвигателя, колесо будет циклически наезжать на датчик. В свою очередь датчик будет фиксировать изменения нормальных давлений и касательных напряжений.

На рис. 6 представлена схема стенда, предназначенного для определения напряжений в контакте шин с опорной поверхностью бегового барабана. Колесо с испытуемой шиной 5 смонтировано на шарнирно закрепленном рычаге 6. Шина прижата пружиной 7 к беговому барабану 9, который приводиться во вращение электродвигателем 8 через редуктор 10. Профиль поверхности бегового барабана соответствует виду

Рис. 1. Структурная схема и внешний вид исследовательского комплекса: а - структурная схема; б - внешний вид: 1 - колесо автомобиля; 2 - тензометрическая балка; 3 - электронный блок усилителя сигнала, касательных и нормальных напряжений в пятне контакта колеса; 4 - аналого-цифровой преобразователь; 5 - компьютер

Рис. 2. Тензометрическая балка предназначена для измерения напряжений в контакте шин с опорной поверхностью на дороге: а - вид спереди; б - вид сбоку; в - вид сверху; г - общий вид

Рис. 3. Электрическая схема системы усилителя системы измерения нормальных и касательных напряжений

Рис. 4. Тензометрическая балка предназначена для измерения напряжений в контакте шин с опорной поверхностью бегового барабана: а - вид спереди; б - вид сверху; в - вид сбоку

Рис. 5. Общий вид тензометрической балки для измерения напряжений в пятне контакта колеса с опорной поверхностью бегового барабана: 1 - упругая пластина; 2 - дугообразная площадка

Рис. 6. Схема стенда, предназначенного для определения напряжений в контакте шин с опорной поверхностью

бегового барабана

Рис. 7. Общий вид стенда для определения напряжений в пятне контакта колеса с опорной поверхностью бегового барабана, установленного в лаборатории диагностики кафедры автомобильного транспорта

испытаний. С помощью балки 1, шарнирно закрепленной на стойке 2, создают нормальную нагрузку на пружину 7, меняя грузы 4. К рычагу 6, на котором установлено колесо с испытуемой шиной 5, прикреплена тяга 3, соединенная с датчиком 11, который предназначен для регистрации тормозной силы. Положение датчика 11 также можно регулировать вертикально (в случае если эксперименты будут проводиться с шиной других размеров).

Перед проведением испытаний, меняя длину тяги 3, колесо 5 устанавливается на беговом барабане 9 таким образом, чтобы результирующая тормозная сила была параллельна оси тяги 3.

Для исследований взаимодействия колеса с поверхностью бегового барабана от положения колеса в конструкции стенда присутствует устройство для перемещения 2.

Разработанный комплекс (рис. 7) позволил провести исследования процессов, протекающих в пятне контакта шины с опорной поверхностью бегового барабана и дороги, и получить эпюры нормальных давлений и касательных напряжений. На основании этих исследований в перспективе возможно рекомендовать поправочные коэффициенты, которые будут корректировать измеренные величины в зависимости от кривизны поверхности бегового барабана.

Для определения нормальных и касательных напряжений в пятне контакта колеса с опорной поверхностью были проведены экспериментальные исследования процессов, протекающих в пятне контакта эластичной шины с опорной поверхностью дороги и бегового барабана. Эксперименты проводились следующим образом: испытуемое колесо устанавливалось на ведущую ось автомобиля ВАЗ 2114; шина

фирмы BLIZZAK размером 175/70 R13 820 и давлением 0,18 МПа. Нагрузка на колесо составляла 2800 Н.

Эксперименты в дорожных условиях проводились в разных режимах качения колеса:

1)в тормозном режиме движения автомобиля (с полным блокированием колеса в районе измерительного датчика);

2) в режиме выбега автомобиля.

Эксперименты по определению напряжений в

пятне контакта эластичной шины на беговом барабане проводились в диагностической лаборатории кафедры «Автомобильный транспорт» в разных режимах качения колеса:

1) в режиме торможения колеса;

2) в режиме вращения колеса без приложения к нему тормозного момента.

После исследований проводилось сравнение результатов, полученных в дорожных условиях, с результатами, полученными на стенде с беговым барабаном со встроенным датчиком для измерения нормальных и касательных нагрузок в пятне контакта. Сравнивалось значение нормальных и касательных напряжений, возникающих в разных режимах качения колеса.

Сравнение результатов нормальных напряжений в режиме торможения колеса (рис. 8) позволило установить, что форма эпюр нормальных напряжений в дорожных и стендовых условиях отличаются. В дорожных условиях эпюра напряжений имеет трапециевидную форму. На стенде с беговым барабаном эпюра нормальных напряжений имеет перевернутую параболическую форму. Величина нормальных значений в дорожных и стендовых условиях отличается. Максимальная величина удельной нагрузки в дорожных

условиях составляет ДР2 = 0,7 кН, а в стендовых условиях ДР2 = 0,8 кН. На стенде с беговым барабаном диаметром 0,24 м величина удельной нагрузки ДР2 превышает удельную нагрузку по сравнению с дорожными условиями на 11 %.

Сравнение результатов касательных напряжений в режиме торможения колеса (рис. 9) позволило установить, что формы эпюр касательных напряжений в дорожных и стендовых условиях отличаются. В дорожных условиях эпюра напряжений имеет параболическую форму. В лабораторных условиях, на стенде с беговым барабаном, эпюра нормальных напряжений имеет треугольнообразную форму. Величина нормальных значений в дорожных и стендовых условиях отличается. Максимальная величина удельной нагрузки в дорожных условиях составляет ДРх = 0,45 кН, а в стендовых условиях ДРх = 0,6 кН. На стенде с беговым барабаном диаметром 0,24 м величина удельной нагрузки Д^ превышает удельную нагрузку по сравнению с дорожными условиями на 25 %.

Сравнение результатов нормальных напряжений в режиме выбега автомобиля (рис. 10) указывает на то,

что формы эпюр нормальных напряжений в дорожных и стендовых условиях отличаются. В дорожных условиях эпюра напряжений имеет параболическую форму. В лабораторных условиях, на стенде с беговым барабаном, эпюра нормальных напряжений имеет трапециевидную форму. Величина нормальных значений в дорожных и стендовых условиях отличается. Максимальная величина удельной нагрузки в дорожных условиях составляет Д^ = 0,7 кН, а в стендовых условиях Д^ = 0,85 кН. На стенде с беговым барабаном диаметром 0,24 м величина удельной нагрузки ДР2 превышает удельную нагрузку по сравнению с дорожными условиями на 17 %.

Сравнение результатов касательных напряжений в режиме выбега автомобиля (рис. 11) позволило установить, что формы эпюр касательных напряжений в дорожных и стендовых условиях отличаются. В дорожных условиях эпюра напряжений имеет усеченную трапециевидную форму. В лабораторных условиях, на стенде с беговым барабаном, эпюра нормальных напряжений имеет синусоидальную форму.

а)

б)

Рис. 8. Графики нормальных напряжений в режиме торможения колеса до полного блока: а - в дорожных условиях;

б - на стенде с беговым барабаном

— /ч

\

/ \

/

/ 1

шш*

.65

37,75

Время!

37,8

37,85

37,9

а) б)

Рис. 9. Графики касательных напряжений в режиме торможения колеса до полного блока: а - в дорожных

условиях; б - на стенде с беговым барабаном

а) б)

Рис. 10. Графики нормальных напряжений в свободном режиме качения колеса: а - в дорожных условиях;

б - на стенде с беговым барабаном

а)

б)

Рис. 11. Графики касательных напряжений в режиме свободного качения колеса: а - в дорожных условиях;

б - на стенде с беговым барабаном

Величина нормальных значений в дорожных и стендовых условиях отличается. Максимальная величина удельной нагрузки в дорожных условиях составляет ARх = 0,11 кН, а в стендовых условиях ARх = 0,17 кН. На стенде с беговым барабаном диаметром 0,24 м величина удельной нагрузки ARх превышает удельную нагрузку по сравнению с дорожными условиями на 35 %.

Результаты выполненного экспериментального исследования позволяют сделать следующие выводы: 1. Формы эпюр нормальных и касательных реакций в дорожных и стендовых условиях отличаются.

2. Величины нормальной максимальной удельной нагрузки ARz в стендовых условиях отличаются от дорожных на 11% в тормозном режиме.

3. Величины касательной максимальной удельной нагрузки ARх в стендовых условиях отличаются от дорожных на 25% в тормозном режиме.

4. Величины нормальной максимальной удельной нагрузки ARz в стендовых условиях в режиме качения колеса отличаются от дорожных на 17%.

5. Величины касательной максимальной удельной нагрузки ARх в стендовых условиях в режиме качения колеса отличаются от дорожных на 35%.

Библиографический список

1. Кулько П.А. Государственный Технический осмотр. Проблемы и решения. / К.В. Ушаков / Автотранспортное предприятие. 2005. № 9. С. 15-19.

2. Федотов А.И., Бойко А.В. Эффективность стендовых методов контроля тормозных систем автомобилей в условиях эксплуатации // Проблемы диагностики и эксплуатации автомобильного транспорта: сб. тр. II междунар. науч.-практ.

конф. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. С. 115-125. 3. Экспериментальное исследование параметров, характеризующих взаимодействие автомобильного колеса с опорными роликами диагностических стендов / Федотов А.И., Бойко А.В., Цогт Д. [и др.] // Вестник ИрГТУ. 2009. Вып. 4. С. 72-77.

УДК 629.113.001

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ИЗМЕНЕНИЯ НОРМАЛЬНОЙ РЕАКЦИИ КОЛЕСА ДИАГНОСТИРУЕМОЙ ОСИ АВТОМОБИЛЯ НА ВИБРОСТЕНДАХ

1 9

© А.И. Федотов1, Нгуен Ван Ньань2

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

Представлена математическая модель процесса изменения нормальной реакции на колесах диагностируемой оси автомобиля на опорных платформах вибростенда. Выявлены закономерности влияния технического состояния подвески на параметры колебаний нормальной нагрузки на колёсах автомобиля при испытаниях на вибростендах.

Ил. 8. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова:диагностика подвески автомобиля; вибростенд; процесс колебания нормальных реакций; математическая модель и техническое состояния амортизатора.

MATHEMATICAL MODEL OF CHANGING IN WHEEL NORMAL REACTION OF AUTOMOBILE AXLE BEING DIAGNOSED ON SHAKERS

1Федотов Александр Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры автомобильного транспорта, тел.: (3952) 405853, e-mail: fai@istu.edu

Fedotov Alexander, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Automobile Transport, tel.: (3952) 405853, e-mail: fai@istu.edu

2Нгуен Ван Ньань, аспирант, тел.: +79246007673, e-mail: nhanhdgt@yahoo.com Nguyen Van Nyan, Postgraduate, tel.: +79246007673, e-mail: nhanhdgt@yahoo.com