Ocena wpływu obciąŝeń zewnętrznych na współpracę bieŝnika opony niskoprofilowej z nawierzchnią drogi

Transkrypt

1 JACKOWSKI Jerzy 1 RADZIMIERSKI Mariusz 2 WIECZOREK Marcin 3 Ocena wpływu obciąŝeń zewnętrznych na współpracę bieŝnika opony niskoprofilowej z nawierzchnią drogi WSTĘP Opony są jednym z najwaŝniejszych elementów bezpieczeństwa czynnego samochodu. To one stykając się bezpośrednio z drogą przenoszą wszystkie siły działające w układzie pojazd - podłoŝe. Siły te powodują deformację powłoki opony i poślizg występów bieŝnika po nawierzchni drogi. Istotna w tych warunkach przyczepność opon do jezdni jest determinowana przez wiele czynników związanych m.in. z konstrukcją i sposobem eksploatacji ogumienia, budową i stanem nawierzchni drogi. Czynniki te decydują o przebiegu procesów zachodzących w strefie styku opony z nawierzchnią drogi. Do rozpoznania tych zjawisk wykorzystuje się wyniki pomiarów kształtu śladu styku opony z podłoŝem [5], przemieszczeń i odkształceń występów bieŝnika, rozkładu i wartości sił elementarnych obciąŝających występy bieŝnika [1, 2]. Wielkości te wyznaczane są w szerokim spektrum zmian obciąŝeń działających na koło (wariantowanie: ciśnienia powietrza w kole, obciąŝenia normalnego, kąta pochylenia i skręcenia koła, obciąŝenia koła momentem hamowania czy napędowym, prędkości toczenia kół). Rezultaty tych badań stanowią m.in. podstawę do określenia wahań wartości przyczepności opon, a więc i moŝliwości wnioskowania o bezpieczeństwa jazdy samochodem w losowo zmiennych warunkach eksploatacji. Opisywane w pracy badania pozwalają takŝe na określenie wielu innych istotnych właściwości uŝytkowych, szczególnie w przypadku opon nowej konstrukcji. Mogą być takŝe cennym uzupełnieniem badań dynamicznych właściwości ogumienia prowadzonych na przykład z wykorzystaniem przyczep dynamometrycznych. 1. SIŁY OBCIĄśAJĄCE WYSTĘPY BIEśNIKA Podczas toczenia koła samochodu po nawierzchni drogi powłoka opony podlega wielokierunkowemu odkształceniu, a elementy powłoki opony wchodzące w styk z drogą są bardziej obciąŝone od tych, które opuszczają ten obszar. Toczenie koła wywołuje zatem zmiany, w zwykle symetrycznym dla koła nieruchomego, rozkładzie sił elementarnych obciąŝających występy bieŝnika [4], których charakter pokazano na rysunku 1. Wyraźnie zaznacza się niesymetria rozkładu nacisków, która skutkuje przesunięciem wypadkowej reakcji pionowej podłoŝa Z K w stosunku do środka koła (przesunięcie to oznaczono przez e). Zakłócona jest równieŝ symetria rozkładu obwodowych sił stycznych τ X. W rezultacie, w obszarze styku opony z podłoŝem, pojawia się róŝna od zera wypadkowa wzdłuŝna reakcja styczna X K : X K = lk b τ dl db (1) gdzie: l K i b są odpowiednio długością i szerokością obszaru styku opony z nawierzchnią drogi. 0 0 Tak wyznaczona reakcja X K jest skierowana przeciwnie do kierunku wektora prędkości koła, a jej wartość w tym stanie obciąŝenia stanowi tzw. opór toczenia koła. Xi K 1 Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Instytut Pojazdów Mechanicznych i Transportu; Warszawa; ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2, Tel: , Fax: , jjackowski@wat.edu.pl 2 Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Instytut Pojazdów Mechanicznych i Transportu; Warszawa; ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2, Tel: , Fax: , mradzimierski@wat.edu.pl 3 Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Instytut Pojazdów Mechanicznych i Transportu; Warszawa; ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2, Tel: , Fax: , mwieczorek@wat.edu.pl 2425

2 Rys.1. Rozkład sił obciąŝających występy bieŝnika w czasie toczenia koła ObciąŜenie koła momentem hamowania powoduje zwiększenie odkształcenia powłoki opony, które skutkuje dalszymi zmianami w rozkładzie nacisków i obwodowych sił stycznych τ X działających na występy bieŝnika w obszarze styku opony z nawierzchnią drogi. W tym stanie obciąŝenia narastają wartości elementarnych sił stycznych τ X (rys.2a) skierowanych w ten sposób, Ŝe ich wypadkowa wzdłuŝna reakcja styczna moŝe wywołać moment w znacznej części równowaŝący moment hamowania. Jednak narastanie wartości sił elementarnych, działających na poszczególne występy bieŝnika, nie moŝe być dowolnie duŝe. Jest ono ograniczone przez właściwości skojarzenia bieŝnika z nawierzchnią drogi. Po przekroczeniu pewnej wartości elementarnych sił stycznych guma występu bieŝnika zaczyna ślizgać się (przemieszczać) względem nawierzchni drogi. Powstający poślizg nie obejmuje od razu całej powierzchni styku występu bieŝnika z podłoŝem, lecz jedynie jej część (mikropoślizg). Oczywiście, zjawisko to moŝe jednocześnie występować w róŝnych obszarach śladu styku opony z podłoŝem. O wartości wypadkowej wzdłuŝnej reakcji stycznej podłoŝa X K, wyraŝającej wzajemne powiązanie pomiędzy oponą a nawierzchnią drogi, decydują zarówno obszary, na których poślizg nie występuje jak i obszary objęte poślizgiem. Rys. 2. Rozkład nacisków oraz sił stycznych moŝliwych do przeniesienia przez skojarzenie guma nawierzchnia drogi 2426

3 Przy dalszym narastaniu wartości momentu obciąŝającego koło hamowane zwiększa się część powierzchni śladu objęta poślizgiem. Mimo to wartość wzdłuŝnej stycznej reakcji podłoŝa X K moŝe wzrastać. Proces ten obrazuje przedstawione na rysunku 2a przesunięcie punktu P w kierunku początku śladu (punkty P 1, P 2,...) oraz wzrost wartości pola powierzchni pod linią τ Xi. Maksymalna wartość wypadkowej reakcji X K,max (odpowiada to wartości maksymalnej pola powierzchni zawartego pod linią τ Xi dla poszczególnych występów bieŝnika) nazywana jest zwykle siłą przyczepności obwodowej, którą moŝemy zapisać następująco: X K, max = ϕ X, max QK (2) gdzie: ϕ X,max - współczynnik obwodowej przylgowej przyczepności opony, Q K - obciąŝenie normalne w osi koła. Wynika stąd, Ŝe wykorzystany do opisu obwodowej siły przyczepności, współczynnik obwodowej przylgowej przyczepności opony ϕ X,max odnosi się do całej powierzchni śladu styku i obejmuje obszary, na których występuje poślizg odkształceniowy jak i poślizg złoŝony. Wzrost wartości momentu obciąŝającego koło hamowane prowadzi do zwiększenia powierzchni śladu styku opony, na której wystąpi poślizg rzeczywisty, aŝ do chwili gdy poślizgiem zostanie objęta cała powierzchnia śladu styku. Przy pełnym poślizgu, na całej powierzchni występów bieŝnika występuje zjawisko poślizgu złoŝonego (rys.1b), a wartość obwodowej stycznej reakcji podłoŝa wynosi: X ϕ Q K, 100 = X, 100 K (3) gdzie: ϕ X,100 - współczynnik przyczepności obwodowej przy pełnym poślizgu opony. Podany powyŝej opis procesów zachodzących w obszarze styku opony z nawierzchnia drogi został przytoczony w celu ułatwienia interpretacji wyników pomiarów przedstawionych w dalszej części pracy. 2. POMIAR SIŁ DZIAŁAJĄCYCH NA WYSTĘPY BIEśNIKA W celu odtworzenia opisanych powyŝej procesów w badaniach laboratoryjnych zbudowano urządzenie, które pozwala na zadawanie momentu obciąŝającego w osi badanego koła. Zastosowane urządzenie (rysunek 3, strona lewa) składa się z ramy nośnej, w której wykonano gniazda do mocowania osi koła, tarcz i zacisków mechanizmu hamulcowego oraz podstawy siłowników hydraulicznych. Moment hamownia (napędowy) jest prowadzony od mechanizmów hamowania (układu linowego z tarczą) do osi koła i badanego ogumienia przez półosie z wielowypustem. Koło 1 umocowane obrotowo na osi jest dociskane siłą normalną Q do powierzchni znajdującej się na wózku pomiarowym 2 (rysunek 3, strona prawa). W niej umieszczono zestaw czterech miniaturowych trójskładnikowych piezokwarcowych przetworników siły, zabudowanych w przesuwnej głowicy 3. Radełkowana koncentrycznie górna część czujnika pomiarowego o powierzchni 0.5cm 2 (φ = 8mm), współpracuje bezpośrednio z występami bieŝnika opony umoŝliwiając jednoczesny pomiar: elementarnych nacisków q występów bieŝnika na nawierzchnię drogi; elementarnych sił stycznych obwodowych τ X ; elementarnych sił stycznych bocznych τ Y. Wykonanie serii przejazdów opony, przy zmianie poprzecznego połoŝenia głowicy, umoŝliwia uzyskanie zbioru rezultatów pomiaru sił elementarnych w pasmach równoległych do kierunku toczenia koła i obejmujących całą szerokość śladu styku. Na rysunku 3, na tle śladu badanej opony, pokazano w sposób poglądowy kolejne połoŝenia czujników sił podczas pomiarów obciąŝeń bieŝnika. 3. BADANIA OPON Do badań wybrano dwa typy ogumienia rozmiaru 185/70R14, o tych samych parametrach eksploatacyjnych takich jak nośność czy dopuszczalna prędkość jazdy, lecz róŝniące się 2427

4 ukształtowaniem rzeźby bieŝnika (ogumienie oznaczone jako Opona 2 posiadało bieŝnik kierunkowy). Ustalono równieŝ najbardziej prawdopodobny zakres zmian warunków eksploatacji opon tego rozmiaru, a mianowicie: ciśnienie powietrza w oponie: pk = 200 kpa; obciąŝenie normalne koła: QK = 300 dan. W celu identyfikacji ogumienia, dla przyjętych wartości pk i QK dokonano pomiaru podstawowych wielkości zwykle wykorzystywanych do oceny opon [7], a ich wartości średnie zebrano w tabeli 1. Z zestawienia tego wynika, Ŝe poza ukształtowaniem rzeźby bieŝnika podstawową róŝnicę pomiędzy badanymi oponami stanowi wartość ich sztywności obwodowej oraz twardość gumy bieŝnika. Sprawdzono zatem, jak róŝnice te wpływają na współpracę bieŝnika opony z podłoŝem. Rys. 3. Schemat urządzenia do zadawania momentu obciąŝającego w osi badanego koła oraz idea prowadzenia pomiaru obciąŝeń oddziałujących na bieŝnik opony wraz z przykładowym połoŝeniem czujników sił na tle śladu badanej opony: 1 koło z badanym ogumieniem; 2 powierzchnia płyty stanowiska pomiarowego; 3 głowica z zestawem miniaturowych trójskładnikowych czujników siły [3] Tab. 1. Charakterystyka badanego ogumienia Wielkość Pole powierzchni śladu styku, m2 Opona1 0,0150 Opona 2 0,0147 Współczynnik gęstości rzeźby bieŝnika 0,73 0,72 Średni nacisk jednostkowy na występach bieŝnika, dan/cm2 2,75 2,85 Sztywność promieniowa, dan/mm 17,8 16,3 Sztywność obwodowa, dan/mm 14,0 9,6 Twardość gumy bieŝnika, ShA

5 Zmierzając do rozstrzygnięcia tego problemu dla kaŝdej z opon dokonano pomiarów sił obciąŝających występy bieŝnika przy swobodnym toczeniu koła oraz przy toczeniu z obciąŝeniem momentem hamowania. Wartości momentu hamowania wynoszące odpowiednio M H1 = 200 N m i M H2 = 250 N m dobrano tak, aby wartości działającej wzdłuŝnej reakcji stycznej X K stanowiły 15 25% wartości obciąŝenia normalnego przyłoŝonego w osi koła (tj. około 50 80daN). Pierwszym obszarem obserwacji z wykonanych pomiarów jest wpływ momentu hamowania na zmianę ukształtowania śladu styku opony z podłoŝem pokazany na rysunku 4 (linią przerywaną zaznaczono zarys śladu styku oraz połoŝenie osi koła dla opony nieruchomej). Z tego zestawienia widać, Ŝe w obu oponach ślad styku ulega skróceniu, lecz mniejszą wraŝliwość na wpływ momentu hamowania wykazuje Opona 2. MoŜe to ujawniać się w wynikach pomiarów sił obciąŝających występy bieŝnika. Przykładowy rozkład i wartości nacisków jednostkowych przedstawiono na rysunku 5. RóŜnice między badanymi oponami uwidaczniają się w obszarze obwodowych pasm bieŝnika oznaczonych na rysunku symbolem B. W Oponie 1 zmiana rozkładu nacisku pod wpływem momentu hamowania jest niewielka, jednak zaznacza się wzrost wartości nacisku w części przedniej śladu styku i spadek w części tylnej śladu. MoŜe to wskazywać na znaczne odkształcenia występów tego obszaru w kierunku obwodowym. W Oponie 2 w tych warunkach wyraźnie dociąŝana jest przednia część występów bieŝnika. Rys. 4. Rzeźba bieŝnika i kształt śladu styku badanego ogumienia oraz jego zmiana pod wpływem momentu hamowania Wobec tych róŝnic postanowiono sprawdzić, w jakim stopniu moment hamowania wpływa na przesunięcie wypadkowej reakcji normalnej podłoŝa Z K względem osi koła. W tym celu wyznaczono wartości przesunięcia wypadkowej reakcji normalnej podłoŝa e i dla kaŝdego z ujętych w badaniach warunków obciąŝeń koła, a następnie obliczono zmianę wartości tego przesunięcia wykorzystując zaleŝność: e = e t e h (4) gdzie: e t przesuniecie wypadkowej reakcji normalnej podczas swobodnego toczenia koła; e h przesuniecie wypadkowej reakcji normalnej podczas toczenia koła obciąŝonego momentem hamowania. Uzyskane rezultaty obliczeń (po unormowaniu wokół punktu odniesienia, za który przyjęto wartość przesunięcia wypadkowej reakcji normalnej podłoŝa e t przy swobodnym toczeniu koła) przedstawiono na rysunku 6. Tak zestawione wyniki pokazują większą intensywność zmian połoŝenia wypadkowej reakcji normalnej podłoŝa przy obciąŝaniu momentem hamowania powłoki Opony 1 i mogą wskazywać na mniej korzystną współpracę bieŝnika tej opony z nawierzchnią drogi w porównaniu do Opony

6 Rys. 5. Przebieg zmian wartości nacisku jednostkowego q pod wpływem momentu hamowania wyznaczony w róŝnych obszarach bieŝnika (p K = 200 kpa, Q K = 300 dan) Rys. 6. Intensywność zmiany przesunięcia wypadkowej reakcji normalnej Z K pod wpływem momentu hamowania 2430

7 Rys. 7. Przebieg zmian wartości jednostkowych obwodowych sił stycznych τx pod wpływem momentu hamowania wyznaczony w róŝnych obszarach bieŝnika (pk = 200 kpa, QK = 300 dan) Rysunek 7 przestawia, wyznaczone w tych samych warunkach obciąŝeń zewnętrznych, rozkłady jednostkowych obwodowych sił stycznych działających na występy bieŝnika badanych opon. Na rysunku tym wyraźnie zaznacza się wpływ momentu hamowania, widoczny przez narastanie wartości sił stycznych w tylnej części śladu. Ujawniają się równieŝ większe, w porównaniu do Opony 2, obciąŝenia występów bieŝnika Opony 1. Przyczyną tego zróŝnicowania, poza odmiennymi wartościami sztywności obwodowej opon, moŝe być inne ukształtowanie występów bieŝnika w obszarze pasm obwodowych B. Występy Opony 1 o kształcie zbliŝonym do trapezu są krótsze w kierunku działania sił obwodowych od występów Opony 2. NaleŜy zatem spodziewać się, Ŝe występy te przy obciąŝaniu opony momentem hamowania będą bardziej podatne na odkształcenie i do poślizgu względem nawierzchni drogi. Wniosek ten potwierdziła dokonana w następnym kroku symulacja komputerowa obszarów poślizgu na nawierzchni asfaltowej w stanie mokrym. Przykładowe wyniki symulacyjnych obliczeń stref poślizgu [6], dokonanych z wykorzystaniem m.in. rezultatów rozkładów sił jednostkowych przedstawionych na rysunkach 5 i 7 zostały pokazane na rysunku 8. Na rysunku tym pola zacieniowane odpowiadają obszarom, w których występuje poślizg, a przez PS oznaczono procentowy udział obszarów objętych poślizgiem w stosunku do powierzchni styku pokrywanej przez pasma obwodowe bieŝnika. 2431

8 Rys. 8. Zestawienie wyników symulacji obszarów poślizgu w strefie styku badanych opon z nawierzchnią drogi (asfalt mokry, p K = 200 kpa, Q K = 300 dan) WNIOSKI Uzyskane wyniki badań potwierdzają poprawność i przydatność uŝytej metody postępowania w rozpoznaniu zjawisk zachodzących w strefie styku opony z podłoŝem. Wskazują jednocześnie na moŝliwość wykorzystania posiadanego aparatu badawczego w prognozowaniu właściwości przyczepnościowych ogumienia i uprawniają do podjęcia dalszych działań mających na celu opracowanie szczegółowego sposobu postępowania w badaniach laboratoryjnych ogumienia zmierzających do identyfikacji jego właściwości przyczepnościowych podczas hamowania. W pracy wskazano, Ŝe wpływ momentu hamowania na stan obciąŝeń występów bieŝnika zaleŝy od sztywności obwodowej opon oraz od ukształtowania występów bieŝnika w obszarze pasm obwodowych. Występy krótsze w kierunku działania sił obwodowych przy obciąŝaniu opony momentem hamowania są bardziej podatne na odkształcenie i do poślizgu względem nawierzchni drogi. Przedstawione wyniki badań dotyczą pomiarów prowadzonych przy niewielkiej prędkości toczenia koła. W dalszych etapach pracy planuje się równieŝ uwzględnienie wpływu prędkości na rozkład sił elementarnych w strefie styku opony z podłoŝem. Streszczenie W pracy przedstawiono metodykę prowadzenia i przykładowe wyniki pomiaru sił działających na występy bieŝnika niskoprofilowych opon do samochodów osobowych w róŝnych warunkach obciąŝeń zewnętrznych. Do badań dobrano opony o tym samym rozmiarze, ale o róŝnej sztywności obwodowej oraz twardości gumy bieŝnika. Na podstawie przeprowadzonych badań wskazano na istotny wpływ momentu hamowania na zmianę rozkładu sił stycznych w śladzie współpracy koła z podłoŝem. Zaproponowano sposób postępowania przy modelowaniu rozkładu sił elementarnych w obszarze styku opony z podłoŝem. Uzyskane wyniki badań potwierdzają poprawność i przydatność uŝytej metody postępowania w rozpoznaniu zjawisk zachodzących w strefie styku opony z podłoŝem. Wskazują jednocześnie na moŝliwość wykorzystania posiadanego aparatu badawczego w prognozowaniu właściwości przyczepnościowych ogumienia w zaleŝności od stanu obciąŝenia koła jezdnego. Estimation of the impact of external loads on the action of low-profile tire tread and the road surface Abstract The paper presents methods for conducting as well as sample measurement results of the forces acting on the protrusions of low-profile tread of tires for passenger cars under a variety of external loads. For the research testing tires of the same size but of different circumferential rigidity and hardness of the tread rubber were chosen. Based on the survey, paper indicates a significant effect of braking torque on changes the distribution of tangential forces in the track of trajectory of wheels with the ground. It also proposes a 2432

9 procedure for modeling the distribution of elementary forces in the area of tire contact with the ground. The results confirm the correctness and usefulness of the diagnosis method used in the recognition of phenomena occurring in the area contact of the tire ground. They also point to the possibility of use these research methods to prediction the adhesion properties of the tires depending on the load condition of the driving wheel. BIBLIOGRAFIA 1. Clark K., Mechanics of Pneumatic Tires, U.S. DOT, NHTSA, Guntur R., Sankar S., A friction circle concept for Dugoffs tyre friction model, International journal of Vehicle Design, vol1, 1983, nr 4, J.Jackowski, M.Wieczorek, Experimental studies of tyres, Transbaltica 2011, Proceedings of the 7th International Scientific Conference, Vilnius Technika 2011, pp Lanzendoerfer J., Szczepaniak C., Teoria ruchu samochodu, WKiŁ, Warszawa, Новопольский В.И., Принцилы конструирования рисунка протектора автомобильных шин, Каучук и резина, 12, (1990), ProchowskI L., Identyfikacja stref poślizgu ogumienia pojazdu, Biul. WAT, 6, (1988), M.Wieczorek, Oszacowanie uŝytkowych właściwości ogumienia pojazdów samochodowych, Zeszyty Instytutu Pojazdów, Politechnika Warszawska, 3, ,