Badanie doświadczalne cech kinematycznych ruchu pojazdu z wykorzystaniem opon zimowych i letnich

Transkrypt

1 MARKIEWICZ Filip 1 WALUŚ Konrad J. 2 POLASIK Jakub 3 Badanie doświadczalne cech kinematycznych ruchu pojazdu z wykorzystaniem opon zimowych i letnich WSTĘP Cechy kinematyczne ruchu pojazdu są zależne od zmiennych czynników zewnętrznych nawierzchni, zmiennych temperaturowych, zmiennych parametrów pracy opony oraz różnych cech konstrukcyjnych. Jest to istotna tematyka pod względem bezpieczeństwa ruchu pojazdów [5, 6, 8]. W okresie jesienno-zimowym [13] oraz zimowo-wiosennym zalecana jest zmiana opon letnich na zimowe i odwrotnie [12, 14, 15]. Przyjmowaną i zalecaną, szczególnie w mediach, granicą temperatury sugerującą konieczność wymiany opon jest +5 stopni Celsjusza. Badania doświadczalne wykazały wyższość opon zimowych w przypadku zalegania na drodze śniegu czy błota pośniegowego zarówno w temperaturach poniżej jak i powyżej zera [10, 11]. Spotykane w samochodach, szczególnie w okresie przejściowym, różne konfiguracje opon mogą sugerować iż na suchej i czystej nawierzchni w temperaturach od 0 do nawet +10o C opony niezależnie od typu zachowują się podobnie [9]. Podjęto zatem próbę wyznaczenia cech kinematycznych ruchu dwóch pojazdów wyposażonych w opony letnie i zimowe. W artykule przedstawiono wyniki badań porównawczych opon letnich i zimowych w dodatnich temperaturach otoczenia i nawierzchni. 1. CHARAKTERYSTYKA WYKORZYSTYWANYCH POJAZDÓW I OPON 1.1 Pojazdy wykorzystywane podczas badań Podczas badań drogowych wykorzystano dwa pojazdy. Pierwszy z nich to samochód marki B5FL w wersji sedan o pojemności silnika 1,9 TDI i mocy 74 kw. Pojazd został wyprodukowany w 2002 roku. Samochód jest wyposażony w 5-stopniową skrzynię biegów manualną. Masa własna pojazdu to 1411 kg. Pojazd wyposażony w system ABS. Drugi pojazd badany to I w wersji kombi o pojemności silnika 1,9 TDI i mocy 96 kw. Pojazd wyprodukowano w 2004 roku. Samochód jest wyposażony w 6-stopniową przekładnię manualną. Masa własna pojazdu to 1300 kg. Skoda również była wyposażona w system ABS. Widok pojazdów badawczych podczas wykonywania pomiarów w marcu 2014 roku przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Widok pojazdów badawczych podczas wykonywania pomiarów w marcu 2014 roku 1 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn; Poznań; ul. Piotrowo 3 tel.: fax: filip.r.markiewicz@doctorate.put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn; Poznań; ul. Piotrowo 3 tel.: fax: konrad.walus@put.poznan. 3 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn; Poznań; ul. Piotrowo 3 tel.: fax: polasik@interia.eu 1019

2 1.2 Pojazdy wykorzystywane podczas badań był wyposażony w dwa komplety opon. Opony zimowe 195/65 R15 91T firmy GoodYear model UltraGrip 8. Data produkcji opon to drugi tydzień 2013 roku. Drugi komplet opon to opony letnie 195/65 R15 91V firmy Dunlop model Sport Blueresponse. Data produkcji opon to dwunasty tydzień 2013 roku. była również wyposażona w dwa komplety opon. Opony zimowe 195/65 R15 91T firmy Gislaved model Euro Frost 3. Data produkcji opon to dwudziesty piąty tydzień 2010 roku. Opony letnie wykorzystywane do badań Skodzie to 195/65 R15 91V firmy Barum model Bravuris 2. Data produkcji opon to czterdziesty dziewiąty tydzień 2011 roku. Widok opon i zarys rzeźby bieżnika przedstawiono w tabeli 1. Tab. 1. Zarys rzeźby bieżnika opon letnich i zimowych wykorzystywanych podczas badań w marcu 2014r. Samochód Ogumienie Widok bieżnika opon Ogumienie letnie Widok bieżnika opon letnich zimowe zimowych Gislaved Euro Frost 3 Barum Bravuris 2 Volkswagen Passat Good Year Ultra Grip 8 Dunlop Sport Blu Response 2. CHARAKTERYSTYKA ŚRODOWISKOWA Badania przeprowadzono 18-go marca 2014 roku. Temperatura otoczenia wahała się w zakresie od +7,6 do +12,5 o C. Podczas wykonywania badań nie występowały opady atmosferyczne. Szczegółowe wyniki badań cech środowiskowych przedstawiono w tabeli 2 i 3. Tab. 2. Wyniki pomiarów środowiskowych na oponach zimowych (obręcze stalowe) Przed próbami drogowymi Samochód Temperatura otoczenia +7,6 o C +11,0 o C Wilgotność 99,9% 72,0% Ciśnienie atmosferyczne 1003,2hPa 1001,5hPa Temperatura punktu rosy +7,7 o C +6,1 o C Temperatura nawierzchni +8 o C +15,4 o C drogi Po próbach drogowych Temperatura otoczenia +9,4 o C +12,0 o C Wilgotność 99,9% 70,3% Ciśnienie atmosferyczne 1002,9hPa 1001,3hPa Temperatura punktu rosy +9,4 o C +6,5 o C Temperatura nawierzchni +10,8 o C +16,2 o C drogi 1020

3 Tab. 3. Wyniki pomiarów środowiskowych na oponach letnich (obręcze aluminiowe) Przed próbami drogowymi Temperatura otoczenia +11,7 o C +9,4 o C Wilgotność 66,5% 99,2% Ciśnienie atmosferyczne 1001,1hPa 1002,6hPa Temperatura punktu rosy +5,5 o C +9,3 o C Temperatura nawierzchni +16,2 o C +11,6 o C drogi Po próbach drogowych Temperatura otoczenia +12,5 o C +9,6 o C Wilgotność 64,0% 92,4% Ciśnienie atmosferyczne 1000,8hPa 1002,6hPa Temperatura punktu rosy +5,7 o C +8,4 o C Temperatura nawierzchni drogi +16,4 o C +12,4 o C Wybrany do badań doświadczalnych odcinek drogi to płaska asfaltowa nawierzchnia bez nachylenia poprzecznego a nachylenie wzdłużne wynosiło około 1%. Podczas prób nawierzchnia była czysta i sucha. W linii poruszania się kół pojazdu podczas prób nie było wyrw ani ubytków nawierzchni (Rys. 2). Rys. 2. Widok odcinka pomiarowego oraz jego nawierzchni w marcu METODYKA BADAŃ I WYNIKI POMIARÓW Przeprowadzone badania doświadczalne miały na celu pomiar zdolności przyspieszania oraz intensywności pojazdu [16, 17]. Przedmiotem badań są dwa samochody osobowe. Oceniano warunki atmosferyczne panujące podczas pomiarów, strukturę nawierzchni i stan opon zamontowanych na badanych pojazdach. Wykonane pomiary podzielone zostały na cztery etapy. Każdy z nich obejmował dziesięć prób wykonanych przez jeden z samochodów. Każdorazowo pojazd był uzbrojony w czujnik firmy Analog Devices typu ADIS [1-4]. Jest to układ pomiarowy składający się z trzech czujników przyspieszeń oraz trzech żyroskopów. Czujnik ADIS był umieszczony na dachu badanego pojazdu. Testy drogowe wykonywane były ze startu zatrzymanego do prędkości około 50 km/h, a następnie do ponownego zatrzymania [7]. Podczas badań zarejestrowano przyspieszania oraz przemieszczenia kątowe bryły nadwozia w trzech wzajemnie prostopadłych osiach. Po wykonaniu separacji wpływu grawitacji na wyniki wykonano analizę przyspieszeń wzdłużnych pojazdów. Uzyskane podczas testów drogowych cechy kinematyczne ruchu pojazdów badawczych przedstawiono w tabelach Dodatkowo mierzono parametry opon przed i po testach drogowych. Cechy opon letnich i zimowych przedstawiono w tabelach

4 Tab. 4. Wyniki pomiarów cech ogumienia zimowego (obręcze stalowe) przed próbami drogowymi Twardość boku opony PL 56/57/57 PP 58/58/58 PL 58/58/58 PP 59/62/59 [ o Shore a] TL 57/55/57 TP 59/57/56 TL 55/56/57 TP 60/59/58 Twardość bieżnika [ o Shore a] PL 65/65/68 PP 62/65/64 PL 73/75/73 PP 69/72/69 TL 67/65/66 TP 65/65/67 TL 74/65/73 TP 74/72/72 Temperatura boku opony PL +8,6 o C PP +8,6 o C PL +22,0 o C PP +2,8 o C TL +9,4 o C TP +10,4 o C TL +20,2 o C TP -6,2 o C Temperatura bieżnika PL +10,6 o C PP +7,0 o C PL +15,8 o C PP +4,6 o C TL +7,8 o C TP +9,6 o C TL +14,8 o C TP -1,6 o C Ciśnienie powietrza wewnątrz PL 1,8 BAR PP 1,7 BAR PL 2,1 BAR PP 2,0 BAR opon TL 1,8 BAR TP 1,7 BAR TL 2,0 BAR TP 1,9 BAR Głębokość bieżnika [mm] PL 8,79/9,12/8,68 PP 8,73/8,70/8,84 PL 3,90/4,07/3,92 PP 3,90/4,55/4,18 TL 8,92/9,12/9,17 TP 8,74/9,19/9,23 TL 3,36/3,53/3,46 TP 4,00/3,91/4,02 Tab. 5. Wyniki pomiarów cech ogumienia zimowego (obręcze stalowe) po próbach drogowych Twardość boku opony PL 55/55/55 PP 58/58/56 PL 57/57/57 PP 56/55/55 [ o Shore a] TL 58/57/55 TP 56/57/57 TL 57/55/56 TP 57/58/57 Twardość bieżnika [ o Shore a] PL 68/66/67 PP 68/69/63 PL 68/67/69 PP 72/69/70 TL 62/63/65 TP 62/63/65 TL 67/72/73 TP 69/71/69 Temperatura boku opony PL +17,2 o C PP +12,8 o C PL +20,2 o C PP +16,6 o C TL +12,8 o C TP +12,2 o C TL +18,4 o C TP +14,6 o C Temperatura bieżnika PL +15,6 o C PP +11,4 o C PL +17,8 o C PP +15,8 o C TL +14,4,8 o C TP +11,4 o C TL +17,2 o C TP +13,4 o C Ciśnienie powietrza wewnątrz opon PL 1,8 BAR PP 1,7 BAR PL 2,1 BAR PP 2,0 BAR TL 1,8 BAR TP 1,7 BAR TL 2,0 BAR TP 1,9 BAR Tab. 6. Wyniki pomiarów cech ogumienia letniego (obręcze ze stopów lekkich) przed próbami drogowymi Twardość boku opony PL 59/58/59 PP 58/60/60 PL 55/57/54 PP 58/58/58 [ o Shore a] TL 58/58/59 TP 60/60/59 TL 61/61/61 TP 59/59/61 Twardość bieżnika [ o Shore a] PL 68/70/72 PP 72/71/70 PL 66/67/69 PP 67/71/71 TL 72/72/73 TP 70/71/72 TL 66/64/66 TP 64/66/65 Temperatura boku opony PL +14,8 o C PP +13,6 o C PL +14,0 o C PP +10,8 o C TL +15,0 o C TP +14,2 o C TL +14,0 o C TP +10,8 o C Temperatura bieżnika PL +12,8 o C PP +12,2 o C PL +13,2 o C PP +9,8 o C TL +12,4,8 o C TP +12,0 o C TL +11,6 o C TP +8,8 o C Ciśnienie powietrza wewnątrz PL 1,9 BAR PP 1,9 BAR PL 2,0 BAR PP 2,1 BAR opon TL 1,9 BAR TP 1,8 BAR TL 2,0 BAR TP 2,0 BAR Głębokość bieżnika [mm] PL 6,21/6,18/6,20 PP 5,98/6,26/6,25 PL 6,92/7,91/6,88 PP 6,59/7,81/6,70 TL 6,47/7,02/6,90 TP 6,31/6,560/6,74 TL 5,02/6,15/5,12 TP 5,25/6,45/5,18 Tab. 7. Wyniki pomiarów cech ogumienia letniego (obręcze ze stopów lekkich) po próbach drogowych Twardość boku opony PL 61/62/63 PP 62/62/63 PL 58/56/56 PP 58/57/57 [ o Shore a] TL 64/62/63 TP 62/61/60 TL 57/57/57 TP 58/61/59 Twardość bieżnika [ o Shore a] PL 68/68/68 PP 70/69/70 PL 67/66/66 PP 66/66/67 TL 71/73/73 TP 70/70/71 TL 65/65/66 TP 61/66/67 Temperatura boku opony PL +19,2 o C PP +17,2 o C PL +18,2 o C PP +13,6 o C TL +17,2 o C TP +16,4 o C TL +16,0 o C TP +11,8 o C Temperatura bieżnika PL +18,4 o C PP +17,0 o C PL +17,6 o C PP +13,2 o C TL +16,4 o C TP +15,6 o C TL +15,8 o C TP +10,8 o C Ciśnienie powietrza wewnątrz opon PL 1,9 BAR PP 1,9 BAR PL 1,9 BAR PP 2,1 BAR TL 1,9 BAR TP 1,9 BAR TL 2,0 BAR TP 2,0 BAR 1022

5 Tab. 8. Wyniki badań Volkswagena Passata na oponach letnich Przebyta droga próby Droga [km/h] MFDD I BIEG II BIEG [m/s 2 ] [m/s 2 ] [m/s 2 ] 49,0 6,966 1,552 10,921 46,825 8,878 4,077 2,557 51,9 8,12 2,261 10,340 55,584 9,093 3,241 2,667 53,2 7,27 2,006 12,546 53,636 9,331 4,038 2,649 54,0 7,167 1,970 10,725 55,390 9,476 4,454 2,878 51,2 7,492 2,097 10,475 58,439 9,184 4,335 2,827 51,6 7,687 2,180 9,774 57,744 8,836 4,473 2,862 52,4 7,168 2,132 12,443 56,153 8,84 4,137 2,895 52,1 7,122 2,041 12,549 55,357 8,826 4,215 2,955 Tab. 9. Wyniki badań Volkswagena Passata na oponach zimowych Przebyta droga próby Droga Średnia 9,058 4,121 2,786 Odchylenie standardowe 0,253 0,391 0,142 [km/h] MFDD I BIEG II BIEG [m/s 2 ] [m/s 2 ] [m/s 2 ] 63,3 8,655 3,020 14,820 56,5236 8,091 3,161 2,529 56,3 7,719 2,357 14,493 53,748 7,916 3,825 2,773 55,6 7,816 2,268 13,084 53,7624 8,25 3,758 2,831 57,0 7,634 2,280 13,899 54,4032 8,626 3,905 2,787 55,5 8,093 2,142 10,747 55,6524 8,933 3,586 2,742 55,3 7,593 2,067 12,465 51,462 8,588 3,899 2,772 54,4 7,106 2,189 14,031 53,154 8,611 4,032 2,746 57,8 8,019 2,218 12,255 56,160 8,460 3,271 2,841 Tab. 10. Wyniki badań Skody Octavii na oponach letnich Przebyta droga próby Droga Średnia 8,434 3,680 2,753 Odchylenie standardowe 0,330 0,315 0,097 [km/h] MFDD I BIEG II BIEG [m/s 2 ] [m/s 2 ] [m/s 2 ] 47,1 7,011 1,66 11,812 56,704 10,395 4,318 3,74 42,3 6,118 2,020 10,893 53,528 10,322 4,59 3,772 42,8 6,682 2,504 10,698 57,928 10,355 4,857 3,608 46,3 6,571 2,033 11,366 55,328 9,801 4,417 3,559 42,1 6,349 2,017 10,343 53,410 10,08 4,198 3,829 43,2 6,803 2,147 10,593 53,543 9,54 3,845 3,732 43,7 6,394 1,864 10,08 53,111 9,841 4,225 3,374 42,73 6,131 1,891 10,904 53,608 9,714 4,308 3,837 Średnia 10,006 4,345 3,681 Odchylenie standardowe 0,327 0,296 0,

6 Przyspieszenie [m/ss] [m/s] Przyspieszenie [m/ss] [m/s] Przyspieszenie [m/ss] [m/s] Przyspieszenie [m/ss] [m/s] Tab. 11. Wyniki badań Skody Octavii na oponach zimowych Przebyta droga próby Droga [km/h] MFDD I BIEG II BIEG [m/s 2 ] [m/s 2 ] [m/s 2 ] 42,9 6,281 1,276 11,294 56,689 10,566 4, ,2 6,556 2,055 9,905 57,492 9,875 4,583 3,573 44,8 7,240 2,592 9,785 57,845 10,104 4,406 3,576 44,2 6,315 1,758 10,090 47,059 10,164 4,315 3,411 44,0 6,847 2,017 8,427 50,281 9,658 4,184 3,402 44,0 6,729 2,126 10,206 54,850 9,343 4,25 3,348 43,1 6,262 2,03 11,244 51,102 9,908 4,251 3,305 43,2 5,999 1,966 11,910 52,938 9,310 4,297 3,668 Średnia 9,866 4,294 3,469 Odchylenie standardowe 0,425 0,154 0, Opony letnie Przyspieszenie Rys. 3. Przykładowe przebiegi przyspieszeń wzdłużnych samochodu uzyskane podczas badań w dniu Opony zimowe Przyspieszenie Opony letnie Przyspieszenie Opony zimowe Przyspieszenie Rys. 4. Przykładowe przebiegi przyspieszeń wzdłużnych samochodu uzyskane podczas badań w dniu WNIOSKI Przeprowadzone testy drogowe w temperaturach nawierzchni i otoczenia powyżej 5 o C wykazały, iż opony letnie umożliwiały osiąganie większych wartości przyspieszeń na poszczególnych biegach. Cechowały się też możliwością przenoszenia większych sił na nawierzchnię drogi podczas procesu, o czym świadczą większe wartości pełnego średniego opóźnienia (MFDD). Wydaje się uzasadnionym wymiana opon letnich na zimowe, i odwrotnie, w obszarze temperatury otoczenia i nawierzchni około 5 o C, co jest sugerowaną w mediach granicą. Jednakże ze względu na brak badań 1024

7 przedstawionych w artykule pojazdów na oponach letnich i zimowych nie można wyznaczyć granicy temperaturowej, której przekroczenie wskazywałoby na konieczność zmiany typu opon. Istnieje wskazanie konieczności przeprowadzenia większej ilości prób drogowych w zróżnicowanych warunkach otoczenia i nawierzchni, a przedstawione testy należy traktować jako rozpoznawcze. Streszczenie W okresie jesiennym i wiosennym można spotkać na drogach publicznych pojazdy wyposażone zarówno w opony zimowe jak i letnie. Brak jest wyraźnej granicy, która byłaby wskaźnikiem wymiany opon. W warunkach jezdni suchej, w temperaturach dodatnich zdolność przenoszenia sił stycznych w układzie oponanawierzchnia może być różna w zależności od typu opony. Osiągane wartości przyspieszeń w danych warunkach atmosferycznych i nawierzchni determinują zakres bezpieczeństwa pojazdu oraz osób postronnych. W artykule przedstawiono wyniki badań doświadczalnych procesu intensywnego przyspieszania i dwóch samochodów osobowych z wykorzystaniem opon zimowych i letnich. Experimental study of the kinematic characteristics of motion of the vehicle with use of winter and summer tires Abstract In the autumn and spring can be found on the public highway vehicles equipped with both winter and summer tires. There is no distinct boundary, which would be an indicator of tire replacement. The dry road conditions, frost-carrying capacity of tangential forces in the tire-pavement system can vary depending on the type of tire. Achieved acceleration values in the data and surface weather conditions determine the scope of the safety of the vehicle and bystanders. The article presents the results of experimental intensive process of acceleration and deceleration of two cars with use of winter tires and summer. BIBLIOGRAFIA 1. ADIS dokumentacja techniczna. 2. Baumann R., Measuring Vehicle Dynamice with a Gyro Based System, Vehicle Dynamics & Simulation, Society of Automotive Engineers, Inc. 2003, p Gillespie T. D.: Fundamentals of Vehicle Dynamics. Society of Automotive Engineers, Warrendale, Graham B. B., Using an accelerometer sensor to measure human hand motion, Massachusetts Institute of Technology, Jurina R., Veselko J., Brzdenie vybraných vozidel vybavených ABS, Znalectvo ročnik IX, Žilina, p Kisilowski J., Lozia Z., Wybrane zagadnienia symulacji procesu samochodu dwuosiowego na nierównej nawierzchni drogi, AUTO Technika motoryzacyjna, 12 85, Dodatek naukowo techniczny. 7. Andrzej Lewandowski, Konrad J. Waluś, Dynamiczny pomiar przemieszczeń nadwozia samochodu osobowego, XIV Konferencja nt. Metody i środki projektowania wspomaganego komputerowo, str , Politechnika Warszawska 2003, ISBN , 8. Lozia Z., Nowakowski J., Ocena wpływu nierówności nawierzchni drogi na skuteczność działania hamulców w ruchu prostoliniowym, Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów 1(40)/2001, Warszawa, s Grant 5T07B 04225: Kwantyfikacja i parametryzacja charakterystyk opon w aspekcie zwiększenia bezpieczeństwa w ruchu drogowym. 10. Grant 9T12C 06915, Badanie porównawcze dróg, śladów, osiąganych opóźnień samochodów osobowych w aspekcie zwiększenia bezpieczeństwa ruchu drogowego. 11. Kędziora K., Waluś K. J.; Experimental and simulation research on car acceleration and braking on snow-covered roads; Activities of Transport Telematics : 13th International Conference on Transport Systems Telematics, TST 2013 : selected papers, Katowice-Ustroń, Poland, October

8 26, 2013 / ed. Jerzy Mikulski: Springer Berlin Heidelberg, Communications in Computer and Information Science; 2013; Vol. 395; s ; ISSN , ISBN Pokorski J., Sar H., Reński A.; Badania porównawcze przyczepności opon letnich i zimowych; Zeszyty naukowe instytutu pojazdów 4(90)/2012; pp ; ISSN X. 13. Waluś K. J., Olszewski Z., Analysis of tire-road contact under winter conditions, Lecture Notes in Engineering and Computer Science, Volume 2192, proceedings World Congress on Engineering 2011, Volume III, London, U.K. 6-8 July, 2011, p , ISBN , ISSN Waluś K. J., Comparing the intensity of the acceleration of a passenger car equipped with summer and winter tires in sub-zero road surface temperatures, Technológ , nr 4, s , ISSN Waluś K. J., Comparing the intensity of the braking car equipped with summer and winter tires in sub-zero road surface temperatures, Technológ , nr 4, s , ISSN Waluś K. J., Wpływ zmian temperatury otoczenia na przyspieszenie i hamowanie samochodu osobowego na suchej i czystej nawierzchni bitumicznej w okresie zimowym - część pierwsza, Logistyka / Instytut Logistyki i Magazynowania , nr 3, s CD-ROM 1, ISSN: Waluś K. J., Wpływ zmian temperatury otoczenia na przyspieszenie i hamowanie samochodu osobowego na suchej i czystej nawierzchni bitumicznej w okresie zimowym - część druga, Logistyka / Instytut Logistyki i Magazynowania , nr 3, s CD-ROM 1, ISSN: