Instrukcja do zajęć laboratoryjnych. Badanie charakterystyk statycznych i dynamicznych kół oponowych. 1. Podstawowe wiadomości dotyczące kół oponowych

Transkrypt

1 Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Badanie charakterystyk statycznych i dynamicznych kół oponowych 1. Podstawowe wiadomości dotyczące kół oponowych Podstawowym zadaniem kół jest umożliwienie ruchu postępowego pojazdu wymuszonego przez toczenie ich po podłożu. Są one elementami pośredniczącymi w przenoszeniu sił między pojazdem a podłożem. W związku z występującymi znacznymi siłami dynamicznymi oraz drganiami wynikającymi z nierówności podłoża, koła zaopatrzone są w opony pneumatyczne. Do podstawowych wymagań wobec kół zaliczyć można: możliwość szczelnego osadzenia opony na obręczy (w przypadku opon bezdętkowych), zdolność do pracy przy określonych obciążeniach i prędkościach, zapewnienie odpowiedniego chłodzenia hamulców oraz bezpieczne połączenie z tarczą piasty. Jednym z podstawowych elementów wpływających za zachowanie pojazdu podczas poruszania się są opony. W związku z tym stawia się im szereg wymagań, takich jak: gwarantowanie bezpieczeństwa i komfortu jazdy, niezawodność, ograniczenie oporów toczenia przy zachowaniu odpowiedniej przyczepności, ograniczenie emisji hałasu, ograniczenie emisji pyłów powstających podczas ścierania się opony do środowiska. 2. Budowa opon pneumatycznych Współczesna opona pneumatyczna składa się z konstrukcji nośnej oraz bieżnika. Na konstrukcję nośną składa się przede wszystkim osnowa, podkład/opasanie i stopki. Osnowa składa się z kilku warstw nici kordowych tworzących powłokę. Nici te wykonane są z tworzyw sztucznych, rzadziej stali. W zależności od ułożenia nici kordowych wyróżniamy opony diagonalne i promieniowe. W oponach diagonalnych, nici kordu ułożone są skośnie, pod kątem ok względem środkowej linii opony. W przypadku opon radialnych (promieniowych), kąt ten wynosi nawet 90. Pod osnową znajduje się warstwa gumy wzmocnionej nićmi kordowymi, zwana podkładem. Najbardziej wewnętrzną warstwę opony stanowi gumowa warstwa uszczelniająca, mająca przeciwdziałać ulatnianiu się powietrza z komory opony. Osnowa otoczona jest kilkoma warstwami nici kordowych, znajdujących się między osnową a bieżnikiem, zwanymi opasaniem. Opasanie stosuje się głównie w oponach radialnych, gdyż nadaje im wymaganą sztywność promieniową. Innym rodzajem opon posiadających opasanie, są opony diagonalne z opasaniem, w których kąt ułożenia nici kordu osnowy jest większy niż w oponach zwyczajnych diagonalnych i wynosi ok

2 Warstwy osnowy na krańcach zawinięte są wokół drutówek, czyli dwóch zwojów gumowanego drutu stalowego. Krańce te zwane są stopkami. Ich zadaniem jest przede wszystkim umożliwienie dokładnego i szczelnego przylegania do obręczy koła. Na powierzchni czołowej, barkowej oraz bocznej opony, znajduje się warstwa gumy, zwana bieżnikiem. Cześć czołowa oraz barkowa ma ściśle określoną rzeźbę w postaci rowków tworzących system kanalików, które odpowiadają za odprowadzanie wody i zanieczyszczeń spod opony. Boczna warstwa gumy, ma za zadanie wzmacniać konstrukcję, zwiększać sztywność opony, chronić przed bocznymi przetarciami oraz stanowi miejsce umieszczenia oznaczeń opony. Głębokość rzeźby bieżnika samochodów osobowych wynosi od ok mm, a pojazdów ciężarowych nawet 16 mm. Zgodnie z przepisami Prawa o Ruchu Drogowym, samochody osobowe poruszające się po Polskich drogach muszą posiadać głębokość rzeźby bieżnika co najmniej 1,6 mm. Rys. 1. Budowa opony bezdętkowej radialnej do samochodu osobowego. Przekrój poprzeczny. 1 bieżnik, 2 opasanie stalowe, 3 zabezpieczenie krawędzi opasania z tworzywa sztucznego, 4 ściana boczna, 5 osnowa dwuwarstwowa, 6 podkład, 7 warstwa uszczelniająca, 8 osłona drutówki, 9 owijka, 10 wypełniacz, 11 drutówka [1]

3 a) b) c) Rys. 2. Schemat: a) osnowy opony diagonalnej. Kąt ζ w oponach samochodów osobowych wynosi ok ; b) osnowy opony radialnej. Kord ułożony jest pod kątem ζ nawet 90 ; c) opasania osadzonego na osnowie opony radialnej. Nitki kordu ułożone są pod kątem ζ ok [1] 3. Parametry opon pneumatycznych Wszelkie parametry użytkowe opon, istotne z punktu widzenia użytkownika, naniesione są na ścianę boczną opony. Jest to istotne ze względu na łatwość identyfikacji opony. Oznaczenie opony zgodnie z dyrektywą ECE R 30 (oraz ETRTO), zawiera następujące dane i jest przedstawione w następujący sposób: gdzie: 175/65 R H 175 szerokość opony zamontowanej na obręczy przy ciśnieniu 0,18 MPa 65 wskaźnik przekroju wyrażony w % (wyraża stosunek wysokości do szerokości opony) R symbol budowy opony (R radialna, - diagonalna, D koło zapasowe) 14 średnica obręczy na której montowana jest opona, wyrażona w calach 82 indeks nośności opony (patrz tab. 1) H symbol prędkości (patrz tab. 2) Indeks nośności opony dotyczy opon samochodowych aż do symbolu prędkości W i odnosi się do minimalnej nośności przy prędkości jazdy do 160 km/h i ciśnieniu 0,25 MPa. Indeksy powyżej wartości 100 stopniowane są co 25 kg. Symbol prędkości oznacza maksymalną prędkość z jaką można kierować pojazdem na danych oponach.

4 Tab. 1. Zależność między ciśnieniem a nośnością opony [1]

5 Tab. 2. Znormalizowane klasy prędkości dla radialnych opon do samochodów osobowych i odpowiadające im symbole prędkości [1] Oprócz powyższych, na oponie znaleźć można oznaczenia: M+S Mud and snow oznaczenie opon błotno-śniegowych, do użytku w zimie. Zaleca się stosowanie opon zimowych, gdy temperatura powietrza spada poniżej 7 C. W niektórych krajach, stosowanie opon zimowych jest konieczne na nawierzchniach pokrytych warstwą śniegu lub lodu oznaczenie daty produkcji opony : 42 tydzień 2008 roku. Ze względu na starzenie opon zaleca się aby okres przechowywania opony przed sprzedażą (ang. Shelf life) nie przekraczał 3 lat. Maksymalny czas użytkowania opony, nie powinien przekroczyć 10 lat od daty produkcji (zalecenia firm produkujących opony). TWI Tread Wear Indicator- wskaźnik zużycia bieżnika umieszony na obwodzie co 60, oznaczenie informujące położeniu wskaźnika na dnie rowków bieżnika. Gdy bieżnik opony zrówna się ze wskaźnikiem, oznacza to konieczność wymiany opony. Max Inflation maksymalne ciśnienie powietrza w oponie 4. Porównanie opon diagonalnych i radialnych Zalety opon radialnych: - duże przebiegi - większa nośność przy mniejszym ciężarze - mniejszy opór toczenia - większa odporność na aquaplaning - dobre własności podczas hamowania na mokrej nawierzchni - zdolność do przenoszenia większych sił bocznych przy takim samym ciśnieniu - wyższy komfort jazdy na autostradach i drogach krajowych

6 Wady opon radialnych: - stosowanie opon radialnych wymaga stosowanie elastycznych łączników w zawieszeniu pojazdu - większa niż w oponach diagonalnych podatność na uszkodzenie ściany bocznej Zalety opon diagonalnych: - prostszy proces produkcji - mniejszy moment bezwładności - odporność na uszkodzenie ściany bocznej Wady opon diagonalnych: - mała sztywność boczna - duże opory ruchu 5. Badania charakterystyk statycznych i dynamicznych kół oponowych Charakterystyki kół oponowych można (przede wszystkim sztywność promieniową ogumienia) wyznaczać poprzez badania laboratoryjne oraz terenowe. Wśród badań laboratoryjnych (stanowiskowych) wyróżnić można: - pomiar statyczny na płaskiej nawierzchni; - pomiar statyczny na sztucznie ukształtowanych nierównościach w obszarze styku opony z podłożem; - pomiar z uwzględnieniem drgań osi koła, które nie obraca się; - pomiar z uwzględnieniem obracania się koła wokół osi; - pomiar z uwzględnieniem drgań osi koła obracającego się. Badania terenowe (drogowe) wykonuje się przede wszystkim poprzez pomiary obciążeń koła i ugięć jego ogumienia pod wpływem wymuszeń losowych i deterministycznych. Na wykresie 3. przedstawiono przykładowy wykresy zależności ugięcia opony ciągnika rolniczego od obciążenia koła dla kilku różnych ciśnień w oponie. Wykresy przedstawiają zarówno pomiary statyczne, przy nieruchomym kole, jak i dynamiczne, przy obracającym się kole. Na podstawie badań stanowiskowych można wyznaczać również inne sztywności ogumienia, tj. boczne i obwodowe. Ideę przeprowadzania pomiarów poszczególnych sztywności oraz przykładowe wykresy z wynikami przedstawiono na rys. 4.

7 Rys. 3. Zależność odkształceń promieniowych opony ciągnika rolniczego od obciążenia koła dla 3 różnych ciśnień w oponie. Na wykresie przedstawiono wykres pomiaru quasistatycznego oraz dynamicznego (koło obracające się z prędkością obwodową 10 km/h) [2] Rys. 4. Wyznaczanie charakterystyk statycznych sprężystości ogumienia: a) promieniowej, b) obwodowej, c)bocznej [3]

8 6. Przebieg ćwiczenia Ćwiczenie polega na zarejestrowaniu przebiegu zależności ugięcia opony z od obciążenia F dla kilku różnych wartości ciśnienia w oponie p. Przed rozpoczęciem pomiarów, należy wykonać cechowanie czujnika przemieszczeń oraz płyty pomiarowej. Po uruchomieniu aparatury pomiarowej i ustaleniu pożądanej wartości ciśnienia p w oponie, należy jednostajnym ruchem skręcać rzymską śrubę, dociskając oponę do płyty pomiarowej, aż do osiągnięcia zadanej siły obciążającej. Po osiągnięciu zadanej siły, należy w takim samym tempie odkręcać śrubę, aż do utraty kontaktu opony z płytą pomiarową. W pozycji początkowej, opona również nie powinna stykać się z płytą pomiarową. Należy wykonać po jednym pomiarze dla co najmniej czterech wartości ciśnienia p w oponie. Na podstawie otrzymanych danych i cechowania czujników należy wykreślić krzywe zależności F(z). Następnie należy wyznaczyć sztywność promieniową opony k dla poszczególnych ciśnień w oponie p oraz współczynnik tłumienia statycznego ψ, również dla czterech ciśnień p. Wyznaczone wartości należy nanieść na wykres zależności k(p) oraz ψ(p). Schemat stanowiska pomiarowego przedstawiono na rys. 5. Rys. 5. Schemat stanowiska pomiarowego Wyznaczanie sztywności promieniowej polega na wyznaczeniu stycznej do linii środkowej pętli histerezy w punkcie odpowiadającym ugięciu statycznemu (pod obciążeniem nominalnym). Wyznaczona styczna definiuje sztywność promieniową opony (jest liniową aproksymacją charakterystyki układu, który jest słabo nieliniowy).

9 F stat α z stat Rys. 6. Sposób wyznaczania sztywności promieniowej opony Wyznaczenie współczynnika tłumienia statycznego ψ polega na porównaniu pracy traconej w układzie do pracy włożonej do układu. Praca tracona w wyniku tarcia między poszczególnymi warstwami opony oraz odkształcenia sprężystego gumy przyjmuje postać ciepła. Na wykresie reprezentowana jest przez pole pętli histerezy (A 1 ). Praca włożona w układ jest reprezentowana jest przez pole pod wykresem przedstawiającym proces dociążania opony (A 2 ). A 1 A 2 Rys. 7. Sposób wyznaczania współczynnika tłumienia statycznego

10 7. Pytania kontrolne Literatura: Na czym polega zjawisko aquaplaningu? Opisz wady i zalety opon diagonalnych i radialnych Opisz budowę i istotne różnice między oponami radialnymi i diagonalnymi W jaki sposób opony wpływają na opory toczenia pojazdu? Wymień i opisz podstawowe oznaczenia opon Jakie trzy rodzaje sztywności opony można wyróżnić i w jaki sposób można je zmierzyć? Jakie jest podstawowe zadanie bieżnika opony? W jaki sposób wyznacza się charakterystyki promieniowe opony (sztywność oraz współczynnik tłumienia statycznego)? [1] Reimpell J, Betzler J, Podwozia samochodów. Podstawy konstrukcji. Wydanie 3, WKŁ, Warszawa, 2004 [2] Kising A., Gohlich H., Dynamic Characteristics of Large Tyres, Journal of Agricultural Engineering Research, 43, 1989, pp [3] Orzełowski S., Eksperymentalne badania samochodów i ich zespołów, WNT, 1995 Do opracowania wykorzystano także następujące pozycje: - Arczyński S., Mechanika ruchu samochodu, WNT, Warszawa, Jaworski J., Ogumienie pojazdów samochodowych: budowa i eksploatacja, WKŁ, Warszawa Mitschke M., Dynamika samochodu, WKŁ, Warszawa, Prochowski L., Mechanika Ruchu, WKŁ, Warszawa, Siłka W., Teoria ruchu samochodu, WNT, Warszawa 2002 Przygotował: Damian Stefanow