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

Transkrypt

1 Instrukcja do zajęć laboratoryjnych Badanie charakterystyk statycznych 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 na zachowanie pojazdu podczas poruszania się są opony. W związku z tym stawia się im szereg wymagań, takich jak: gwarantowanie bezpieczeństwa i komfortu jazdy, trwałość i niezawodność, minimalizacja oporów toczenia, zachowanie odpowiedniej przyczepności, ograniczenie hałasu, ograniczenie emisji pyłów powstających podczas ścierania się opony. 2. Budowa opon pneumatycznych Współczesna opona pneumatyczna składa się z konstrukcji nośnej oraz bieżnika. Na konstrukcję nośną składa się przede wszystkim osnowa, 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 płaszczyzny symetrii opony. W przypadku opon radialnych (promieniowych), kąt ten wynosi około 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 Są one jednak obecnie bardzo rzadko stosowane. 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.

2 Na powierzchni czołowej, barkowej oraz bocznej opony, znajduje się warstwa gumy. Ta na części barkowej i czołowej zwana jest bieżnikiem. Ma określony system rowków, które odpowiadają za odprowadzanie wody i zanieczyszczeń spod opony. Warstwa gumy na ściance bocznej, ma za zadanie zwiększać sztywność opony i 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: 195/60 R H 195 szerokość opony zamontowanej na obręczy przy ciśnieniu 0,18 MPa 60 wskaźnik przekroju wyrażony w % (wyraża stosunek wysokości do szerokości opony) R symbol budowy opony (R radialna, - diagonalna, D koło zapasowe) 15 średnica obręczy na której montowana jest opona, wyrażona w calach 85 indeks nośności opony (patrz tab. 1) H symbol prędkości (patrz tab. 2) Indeks nośności odnosi się do minimalnej nośności przy prędkości jazdy do 160 km/h i ciśnieniu 0,25 MPa. Dla indeksów wyższych niż H, w zależności od prędkości, należy odpowiednio zmniejszyć obciążenie opony. Symbol prędkości oznacza maksymalną prędkość z jaką można kierować pojazdem na danych oponach.

4 Tab. 1. Wybrane indeksy nośności opon (dla ciśnienia 0,25MPa) Indeks nośności Nośność (kg) Indeks nośności Nośność (kg) Tab. 2. Przykładowe klasy prędkości dla radialnych opon do samochodów osobowych Symbol Prędkość (km/h) Symbol Prędkość (km/h) Y 300 M 130 W 270 L 120 V 240 K 110 H 210 J 100 U 200 G 90 T 190 F 80 S 180 E 70 R 170 D 65 Q 160 C 60 P 150 B 50 N 140 A8 40 Oprócz powyższych, na oponie znaleźć można m.in. oznaczenia: M+S Mud and snow oznaczenie opon błotno-śniegowych, do użytku w zimie, jednakże bez potwierdzonej badaniami w warunkach zimowych skuteczności. 3PMSF - Three Peaks Mountain Snow Flake - symbol góry z płatkiem śniegu oznaczający opony zimowe. 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 : 21 tydzień 2009 roku. Ze względu na starzenie opon zaleca się aby okres przechowywania opony przed sprzedażą (ang. Shelf life) nie

5 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 o 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. TL - Tubeless (bezdętkowa). TT - Tube Type (dętkowa). DSST, EMT, PAX, RFT - oznaczenia różnych firm na oponach w technologii RunFlat, umożliwiającej krótkotrwałą jazdę z ograniczoną prędkością po utracie ciśnienia. 4. Porównanie opon diagonalnych i radialnych Współcześnie większość pojazdów drogowych wyposażona jest w opony radialne. Wiąże się to z ich zaletami, takimi jak niskie opory toczenia, duża sztywność boczna, wysoki komfort jazdy po drogach utwardzonych, duża trwałość, dobra przyczepność (również na mokrej nawierzchni). Niestety w związku z większą sztywnością opon radialnych, konieczne jest stosowanie w zawieszeniu elementów elastycznych, takich jak tuleje metalowo-gumowe. Poza tym, opony radialne są podatne na uszkodzenia bocznej ścianki. Mimo wielu zalet opon radialnych, opony diagonalne wciąż znajdują swoje zastosowanie. Dotyczy to przede wszystkim pojazdów poruszających się w rejonach o gorzej rozwiniętej sieci drogowej, pojazdów terenowych, rolniczych, budowlanych, niektórych motocykli oraz samochodów wyścigowych. Opony diagonalne względem radialnych są prostsze w produkcji, bardziej odporne na uszkodzenia boczne oraz mają mniejszy moment bezwładności. W związku z ich mniejszą sztywnością, cechują się również większymi oporami toczenia, a także mniejszymi maksymalnymi prędkościami jazdy. 5. Badania charakterystyk 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 lub na nierównościach w obszarze styku opony z podłożem; - pomiar dynamiczny z uwzględnieniem obracania się koła wokół osi; - pomiar dynamiczny z uwzględnieniem drgań osi koła, które obraca się lub jest nieruchome; Badania terenowe (drogowe) wykonuje się przede wszystkim poprzez pomiary obciążeń koła i ugięć jego ogumienia pod wpływem wymuszeń losowych i deterministycznych.

6 Na rysunku 3. przedstawiono przykładowy wykres zależności ugięcia promieniowego 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. 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] Na podstawie badań stanowiskowych można wyznaczać również inne sztywności ogumienia, tj. boczne, obwodowe i skrętne. Ideę przeprowadzania pomiarów sztywności oraz przykładowe wykresy z wynikami przedstawiono na rys. 4.

7 Rys. 4. Wyznaczanie charakterystyk statycznych sprężystości ogumienia: a) promieniowej, b) obwodowej, c)bocznej [3] 6. Wyznaczanie charakterystyk opon W związku ze złożoną budową opony, zależność jej ugięcia promieniowego od obciążenia jest nieliniowa (rys. 5). Poza tym, w związku z występującymi stratami wewnętrznymi podczas odkształcenia, występuje zjawisko histerezy, objawiające się na wykresie F(z) dwiema niepokrywającymi się krzywymi odpowiednio dla dociążania i odciążania opony. Sztywność ciał definiujemy jako siłę konieczną do jednostkowego ugięcia czy tez stosunek siły do ugięcia (1): k = df dz (1) Obciążona opona, podobnie jak większość obiektów w przyrodzie, cechuje się nieliniową zależnością siły pionowej od ugięcia promieniowego. Jest to jednak układ słabo nieliniowy, w związku z tym na potrzeby inżynierskie, zależność aproksymuje się prostą. Zależność siły od ugięcia różni się podczas obciążania i odciążania opony, co związane jest z powstawaniem strat w układzie (histerezy). Biorąc pod uwagę fakt, iż opona w czasie pracy jest dociążana tyle samo razy co odciążana, można przyjąć średnią tych dwóch krzywych za reprezentatywną. Wartość średnią wyznacza się poprzez wykreślenie linii środkowej pętli histerezy. Wyznaczanie sztywności promieniowej polega na wyznaczeniu stycznej do linii środkowej pętli histerezy w punkcie odpowiadającym ugięciu statycznemu, pod obciążeniem nominalnym (rys. 5). Wyznaczona styczna definiuje sztywność promieniową opony.

8 Rys. 5. Sposób wyznaczania sztywności promieniowej opony Wyznaczenie współczynnika tłumienia statycznego ψ polega na analizie pracy wykonanej w układzie. Praca tracona w wyniku tarcia między poszczególnymi warstwami opony oraz odkształcenia sprężystego gumy przyjmuje postać ciepła. Na wykresie praca utracona (strata energii) reprezentowana jest przez pole pętli histerezy (rys. 6). Praca wykonana podczas dociążania opony jest proporcjonalna do pole 1 pod wykresem dociążania opony (niebieskie linie). Praca odzyskana podczas odciążania opony jest proporcjonalna do powierzchni pola 2 pod wykresem odciążania opony (zielone linie). Rys. 6. Sposób wyznaczania współczynnika tłumienia statycznego

9 Współczynnik tłumienia statycznego lub tłumienie względne definiujemy jako stosunek energii utraconej w czasie cyklu pracy do energii włożonej w układ (2): 7. Przebieg ćwiczenia ψ = A 1 A 2 A 1 (2) Ćwiczenie polega na zarejestrowaniu przebiegu zależności ugięcia opony z od obciążenia Fz dla kilku różnych wartości ciśnienia w oponie p. Przed rozpoczęciem pomiarów, należy wyznaczyć stałe czułości 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. Mierzona siła reakcji normalnej w płycie pomiarowej jest równa obciążeniu opony Fz. Po osiągnięciu zadanej siły, należy 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 stałych czułości przetworników pomiarowych należy wykreślić krzywe zależności Fz(z) dla każdego z ciśnień. Następnie należy wyznaczyć sztywność promieniową opony k oraz współczynnik tłumienia statycznego ψ dla poszczególnych ciśnień w oponie p. Wyznaczone wartości należy nanieść na wykres zależności k(p) oraz ψ(p). Stanowisko pomiarowe oraz jego schemat przedstawiono na rys. 7 i 8. Rys. 7. Stanowisko pomiarowe

10 8. Pytania kontrolne Literatura: Rys. 8. Schemat stanowiska pomiarowego Na czym polega zjawisko aquaplaningu? Opisz wady i zalety opon diagonalnych i radialnych Opisz budowę i istotne różnice między oponami radialnymi i diagonalnymi Wymień i opisz podstawowe oznaczenia opon Jakie 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)? W jaki sposób powyższe charakterystyki wpływają na opory toczenia pojazdu? [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