Badania doświadczalne wielkości pola powierzchni kontaktu opony z nawierzchnią w funkcji ciśnienia i obciążenia

Transkrypt

1 WALUŚ Konrad J. 1 POLASIK Jakub 2 OLSZEWSKI Zbigniew 3 Badania doświadczalne wielkości pola powierzchni kontaktu opony z nawierzchnią w funkcji ciśnienia i obciążenia WSTĘP Parametry pojazdów samochodowych w zależności od segmentu wpływają bezpośrednio na masę pojazdu, a co za tym idzie na rodzaj oraz wielkość ogumienia. Rozmiar opon zależy od mocy generowanej przez jednostkę napędową, która poprzez interakcję opona-nawierzchnia ma być przeniesiona na nawierzchnię. Parametrami mającymi wpływ na pole kontaktu opony z nawierzchnią jest wartość ciśnienia w ogumieniu oraz obciążenie jednostkowe poszczególnych kół [1,3-5]. W zależności od rozmiaru opony oraz przewożonej ilości osób lub/i towarów producent podaje zalecane wartości ciśnień dla przedniej jak i tylnej osi samochodu. Zmniejszając ciśnienie w oponach zwiększamy pole kontaktu, co prowadzi do efektu rozlania się opony. Podczas jazdy na oponach z obniżonym ciśnieniem wzrastają opory tarcia, co powoduje nagrzewanie się opony i jej szybsze zużywanie. Zbyt duże ciśnienie w ogumieniu powoduje zmniejszenie pola kontaktu i nadmierne zużywanie się środkowego pasa opony. W pracy przedstawiono wpływ zmian ciśnienia i obciążenia na wielkość pola powierzchni kontaktu opony z nawierzchnią. 1. METODA POMIARÓW Celem badań był pomiar pola powierzchni kontaktu opon zimowych z nawierzchnią w funkcji ciśnienia i obciążenia. Pomiary wykonano dla ciśnień: 0,5 bar; 1,0 bar; 1,5 bar; 2,0 bar; 2,5 bar oraz 3,0 bar oraz dla obciążeń: 50kg, kg, 150kg, 200kg, 250kg, 300kg, 350kg, 400kg, 450kg, 500kg. Wszystkie wykonane odciski zostały poddane digitalizacji, co umożliwiło wykonanie planimetryzacji powierzchni śladu. Do badań wykorzystano 3 rodzaje opon zimowych o różnych rozmiarach: 165/80 R14, 195/65 R15 oraz 205/55 R16. Rys. 1. Widok stanowiska badawczego 1 Politechnika Poznańska; Wydział Maszyn Roboczych i Transportu; Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn; Poznań; ul. Piotrowo 3 tel.: ; fax.: ; konrad.walus@put.poznan.pl 2 Politechnika Poznańska; Wydział Maszyn Roboczych i Transportu; Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn; Poznań; ul. Piotrowo 3 tel.: ; fax.: ; polasik@interia.eu 3 Politechnika Poznańska; Wydział Maszyn Roboczych i Transportu; Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn; Poznań; ul. Piotrowo 3 tel.: ; fax.: ; Zbigniew.olszewski@put.poznan.pl 6435

2 ciśnienie [bar] Pole powierzchni śladu [cm^2] ciśnienie [bar] 2. WYNIKI POMIARÓW W ramach badań wykonano odciski opon zimowych oraz pomiary pola kontaktu w funkcji zmian ciśnienia i obciążenia. Wyniki pomiarów zestawiono w tabelach od 1 do 4 oraz przedstawiono graficznie na rysunkach 2-4. Tab.1. Wyniki pomiarów pola kontaktu opony o rozmiarze: 165/80 R14 165/80 R14 obciążenie [kg] Pole kontaktu z nawierzchnią [cm 2 ] ,0 37,10 74,36,31 112,68 123,86 1,5 16,88 31,76 43,38 54,80 72,47 77,16 94,29 109,47 117,84 124,15 2,0 13,08 23,54 33,88 46,97 57,59 68,15 76,89 86,46 98,23 109,86 2,5 12,80 22,49 32,05 40,67 51,41 62,46 71,49 78,44 86,51 91,26 3,0 11,28 20,19 29,56 37,14 46,46 55,31 65,31 75,35 79,53 87, Opona zimowa 165/80 R14 1 bar y = 0,2118x + 26,11 R 2 = 0,933 y = 0,245x + 6,8333 R 2 = 0,993 y = 0,213x + 2,896 R 2 = 0,9988 y = 0,1806x + 5,3 R 2 = 0, bary y = 0,1725x + 3,3113 R 2 = 0, Rys. 2. Pole powierzchni kontaktu opony 165/80 R14 z nawierzchnią w funkcji obciążenia i ciśnienia Tab.2. Wyniki pomiarów pola kontaktu opony o rozmiarze: 195/65 R16 195/65 R15 Pole kontaktu z nawierzchnią [cm 2 ] obciążenie [kg] ,0 17,86 27,58 46,17 63,60 80,41 88,28 101,53 112,84 121,73 136,86 1,5 16,98 27,87 42,78 53,77 67,61 76,90 87,94 99,61 114,45 123,32 2,0 14,75 26,28 38,73 49,34 57,46 69,96 76,18 85,39 92,32 103,42 2,5 15,16 25,15 33,91 42,64 51,98 63,03 73,28 81,82 86,73 94,21 3,0 16,28 24,65 31,20 40,53 48,73 55,88 63,68 73,48 80,75 90,

3 Pole powierzchni śladu [cm^2] ciśnienie [bar] Pole powierzchni śladu [cm^2] Opona zimowa 195/65 R15 3 bary 1 bar y = 0,164x + 7,518 R 2 = 0,9988 y = 0,2649x + 6,8507 R 2 = 0,9905 y = 0,2375x + 5,8207 R 2 = 0,9984 y = 0,1923x + 8,4953 R 2 = 0,9941 y = 0,18x + 7,29 R 2 = 0, Rys. 3. Pole powierzchni kontaktu opony 195/65 R15 z nawierzchnią w funkcji obciążenia i ciśnienia Tab.3. Wyniki pomiarów pola kontaktu opony o rozmiarze: 205/55 R16 205/55 R16 Pole kontaktu z nawierzchnią [cm 2 ] obciążenie [kg] ,0 17,12 34,66 53,20 71,52 94,67 108,73 126,82 142,78 157,95 170,51 1,5 15,00 27,83 42,11 57,19 69,46 88,46 101,80 113,04 128,72 148,71 2,0 13,47 24,92 36,50 47,50 61,00 70,11 84,40 91,56 103,89 117,30 2,5 13,16 22,78 31,06 40,30 50,07 61,62 72,47 79,12 90,76,79 3,0 13,19 20,79 29,00 37,32 47,29 54,62 62,64 73,24 82,23 93, Opona zimowa 205/55 R16 1 bar 3 bary y = 0,1761x + 2,8953 R 2 = 0,9981 y = 0,348x + 2,0827 R 2 = 0,9964 y = 0,293x - 1,338 R 2 = 0,9979 y = 0,2282x + 2,3193 R 2 = 0,9987 y = 0,1955x + 2,45 R 2 = 0, ,5 bara 2 bary 2,5 bara Rys. 4. Pole powierzchni kontaktu opony 205/55 R16 z nawierzchnią w funkcji obciążenia i ciśnienia 6437

4 Tab.4. Przykładowe zestawienie widoku śladów pola kontaktu opony zimowej o rozmiarze:195/65 R15 195/65 R15 Ciśnienie [bar] 1,0 2,0 3,0 6438

5 PODSUMOWANIE Wyniki badań doświadczalnych wykazały, że zmiana obszaru kontaktu opony z nawierzchnią istotnie wpływa na warunki eksploatacji opon i procesy jezdne pojazdu. Zwiększone deformację opony spowodowane niskim ciśnieniem generują wzrost jej temperatury i wywołują większe opory ruchu. Wzrost ciśnienia powyżej zalecanego zmniejsza powierzchnie przylegania, zwiększa naciski jednostkowe i powoduje pogorszenie komfortu jazdy. Niekorzystny wpływ zmian ciśnienia w oponie na zachowanie się pojazdu w ruchu opisano w [2,7], przedstawione tam testy drogowe wykazały, że obniżenie ciśnienie w jednej z przednich opon o 0,5 bara zmniejsza przyczepność pojazdu nawet o 17%, a spadek ciśnienia o 1 bar we wszystkich czterech oponach może doprowadzić do utarty około 45% przyczepności. Przedstawione charakterystyki zmiany pola kontaktu w funkcji obciążenia i ciśnienia (rys. 2,3,4) wykazały, że współczynnik kierunkowy charakterystyki dla ciśnienia 2 bary dla wszystkich trzech opon mieścił się w przedziale od 0,1923 0,2282. Natomiast dla ciśnienia 1,5 bara wyznaczona linia 6439

6 trendu wyraźnie odsuwała się od linii charakteryzujących ciśnienia zalecane przez producentów pojazdów. Istnieje konieczność prowadzenia dalszych badań doświadczalnych w celu dokładnego określenia zakresu zmian ciśnienia, który będzie determinował optymalny obszar współpracy opony z nawierzchnią. "Badania wykonano w ramach projektu nr N N ( ) finansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki" Streszczenie Pole kontaktu opony z nawierzchnią istotnie zależy od warunków eksploatacyjnych i wpływa bezpośrednio na bezpieczeństwa ruchu pojazdu. Zjawiska zachodzące w strefie kontaktu mają decydujące znaczenie dla zachowania stateczności i kierowalności i determinują zdolność do przenoszenia sił na jezdnię. Zmiany geometrii obszaru kontaktu uzależnione od wartości ciśnienia i obciążenia opony prowadzą do zmian współczynnika przyczepności. W artykule przedstawiono wyniki badań doświadczalnych wyznaczania pola kontaktu w funkcji zmian ciśnienia i obciążenia promieniowego opony. Słowa kluczowe: opona, siła nacisku, ciśnienie Experimental studies of the size of the contact area between tire and road surface as a function of pressure and the load Abstract Field contact with the ground significantly depends on the operating conditions and directly affect the safety of the vehicle. Phenomena occurring in the contact zone are critical to maintaining the stability and steer ability and determine the ability to transfer power to the road. Changes in the geometry of the contact area depends on the pressure and the tire load leads to changes in the coefficient of adhesion. The paper presents the results of experimental determination of contact area as a function of changes in pressure and radial load of the tire. Keywords: tire, pressure force, pressure BIBLIOGRAFIA 1. Sharma A. K., Pandey K. P., A review on contact area measurement of pneumatic tyre on rigid and deformable surfaces, Journal of Terramechanics, vol. 33 no. 5. pp , Elsevier Science LTD, Opona przyczepność, Societe de Technologie Michelin 23, rue Breschet, Clermont Ferrand Societe de technologie Michalin, Olszewski Z., Waluś K. J., Influence of Pressure and Load on Radial Deformation of the Tyre, Machine Dynamics Research 2012, Vol. 36, No 3, p , ISSN , 4. Olszewski Z., Waluś K. J., Berdychowski M.; Modelowanie cech geometrycznych obszaru kontaktu opona - nawierzchnia z zastosowaniem FEM; Technika Transportu Szynowego; 2013; nr 10; s ; ISSN ; 5. Praca zbiorowa pod red. Dudziak M., Proces hamowania samochodu a bezpieczeństwo w ruchu drogowym, Wydawnictwo i Zakład Poligrafii Instytutu Technologii Eksploatacji, Poznań Radom Yamazaki S., Furukawa O., Suzuki T., Study of Real Time Estimation of Tire to Road Friction, Tire Models for Vehicle Dynamic Analysis, Supplement to Vehicle System Dynamics, Vol. 27, p ,