2 Лабораторна робота № 2 визначення характеристик еластичного колеса

2.1 Ціль роботи

2.1.1 Ознайомиться з методикою експериментального визначення вільного і статичного радіуса, нормальної і тангенціальної характеристик еластичного колеса.

2.1.2 Визначити вільний і статичний радіус, характеристики нормальної і тангенціальної деформації еластичного колеса і вплив на них тиску повітря в шині.

2.2 Загальні відомості

2.2.1 Автомобільне колесо - це колесо, на якому змонтована пневматична шина. Шина безпосередньо стикається з поверхнею дороги. Будучи наповненої стиснутим повітрям, вона стає пружною і здатної сприймати великі навантаження. Шина повинна мати мінімальний опір коченню, гарні зчіпні, пружні і демпфуючі властивості, високу зносостійкість і довговічність при мінімальній масі, і повинна самоочищатися при русі по деформуючим грунтам.

Від характеру взаємодії шини з опорною поверхнею залежать тягово-експлуатаційні і гальмові властивості автомобіля, повільність ходу і прохідність, керованість і усталеність, паливна економічність і ін.

Під дією зовнішніх навантажень шина колеса піддається складної деформації. Цю деформацію для зручності вивчення звичайно розчленовують на трьох більш прості: нормальну (радіальну), бічну й окружну (тангенціальну або крутильну). Шини класифікуються по геометричних розмірах і по конструктивних ознаках.

Геометричні розміри шини: зовнішній діаметр D, ширина В і висота профілю Н, посадковий діаметр і відстань між бортовими закраінами обіду - А. У залежності від ширини профілю шини підрозділяються на великогабаритні (В=350мм і більш), середньогабаритні (В = 200350мм) і малогабаритні (В не більш 260мм).

Конструктивними ознаками шин є конструкція каркаса і брекера, спосіб герметизації на ободі, тиск повітря в шині, тип рисунка протектора і т.д.

У позначення шин включаються геометричні розміри D, B, , конструкція каркаса літери Р або R для шин із радіальним кордом. У позначенні шин звичайного профілю для вантажних автомобілів указуються розміри B і в міліметрах (дюймах). Наприклад: 240 - 508: 240 - 508 Р, 260 - 508 (9.00 - 20). Широкопрофільні шини позначаються трьома числами - розмірами D  B - у міліметрах (1770  670 - 635); аркові - двома D  B (1300  750); а пневмокатки - трьома D  B  Н (1000  1000  250).

У діагональних шин легкових автомобілів використовується позначення виду B - , причому при Н/В більш 0,82 розміри тільки в дюймах (9.00 - 15), а при Н/В=0,82 і менше змішане позначення (155 - 13/6, 15 - 13).

Радіальні шини легкових автомобілів мають позначення виду В/70  R або В/60  R (В - у міліметрах; - у дюймах; 70 і 60 - номер серії. Умовне позначення Н/В, наприклад Н/В = 0,7 - серія 70. Замість «» у позначенні може бути індекс швидкості - літерне позначення максимальної швидкості руху: Р - 150; Q - 160; R - 170 кМ/г і т. д. Наприклад: 185/70 РR 14, 185/60 QR 13. Якщо в позначенні відсутній номер серії (185 РR 13), шина має Н/В =0,82 (серія 82).

Крім умовного позначення розмірності, на боковині шини вказуються підприємство, країна, номер моделі, Tubless для безкамерних шин і інші позначення у відповідності зі стандартними.

Розмір автомобільного колеса у вільному не навантаженому стані характеризується вільним радіусом .

Вільний радіус колеса - половина зовнішнього діаметра = 0,5 .

Під зовнішнім діаметром колеса розуміється діаметр найбільшого окружного перетину бігової доріжки колеса при відсутності контакту з дорогою. Значення зовнішнього діаметра колеса при номінальному тиску повітря в шині вказується в ДСТУ або каталогах.

При дії на колесо вертикального навантаження відбувається деформація частини шини, що стикається з опорною поверхнею. При цьому відстань від осі колеса до опорної поверхні стає менше вільного радіуса. Ця відстань, заміряна в нерухомого колеса, називається статичним радіусом . Статичний радіус при номінальних навантаженнях і тиску повітря в шинах також вказується в їхніх характеристиках. Статичний радіус при відомих конструктивних параметрах шин можна знаходити зі співвідношення:

, (2.1)

де: - посадковий діаметр обіду шини;

- коефіцієнт вертикальної деформації (залежить від типу шин: для тороідних шин =0,850,87; для шин із регульованим тиском і аркових =0,80,85; Н - висота профілю.

При коченні навантаженого колеса в силу ряду причин (динамічна дія навантаження, переданий колесом крутний момент, швидкість обертання й ін.) відстань між віссю колеса й опорної поверхні змінюється. Ця відстань називається динамічним радіусом . При коченні колеса по твердій опорній поверхні з малою швидкістю статичний і динамічний радіуси його практично однакові.

Крім перерахованих радіусів еластичного колеса при його деформації розрізняють ще і радіус кочення .

Радіусом кочення прийнято називати радіус такого фіктивного жорсткого колеса, що при відсутності пробуксування і прослизання має однакові з дійсним колесом частоту обертання і швидкість кочення. Радіус кочення правильно називати кінематичним радіусом, їм характеризується шлях, пройдений колесом за один оборот.

По визначенню радіус кочення дорівнює відношенню подовжньої складової поступальної швидкості колеса до його кутової швидкості. Для однієї і тієї ж шини він залежить від нормального навантаження, внутрішнього тиску в шині, окружної сили, коефіцієнта зчеплення колеса з дорогою і швидкості руху колеса. При відсутності прослизання і пробуксовування автомобільного колеса радіус кочення визначається окружною деформацією шини і може бути обчислений як відношення поступальної швидкості колеса до кутової швидкості його обертання:

(2.2)

2.2.2 Нормальна деформація шини

Ш ина деформується під дією нормальної до опорної поверхні складового навантаження на колесо (нормального навантаження). Площа контакту її з дорогою збільшується доти, поки не наступить рівновага між піднімальною силою (нормальною реакцією дороги) і навантаженням (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Схема нормальної деформації шини

Права частина рисунка відповідає вільно стоячій шині, а ліва - деформованим нормальним навантаженням.

Деформація шини відбувається при почти незмінному тиску повітря в ній. Об'єм повітря, витиснутий при деформації, у порівнянні з об'ємом повітря в камері дуже мале, тому збільшення тиску в шині внаслідок її нагружения також мало і складає 1-2%.

Під дією навантаження G_к відбувається зменшення відстані від осі колеса до дороги через зменшення висоти Н і збільшення ширини В профілю шини. Нормальний прогин є слідством деформації шини в радіальному, окружному і поперечному напрямках.

Нормальний прогин шини h_z - це лінійний зсув центру колеса щодо опорної поверхні під дією нормальному навантаженню, обмірювана по нормалі до опорної поверхні. Він оцінюється різницею вільного r_в і статичного r_cт радіусів колеса

(2.3)

і служить однією з найбільше важливих характеристик шини. Надмірне збільшення прогину приводить до підвищених напруг у шині, теплотворення і, отже, зниженню усталеної тривкості шин. У зв'язку з цим відносний розмір нормального прогину (відношення ) шин звичайної конструкції обмежується значенням 10-12%, що встановлено в результаті тривалого досвіду експлуатації.

Для шин регулюючим тиском повітря широкопрофільних шин ця межа складає 12-15%, а для аркових - 15-20%.

Крім працездатності нормальний прогин визначає такий важливий експлуатаційний параметр, як нормальна жорсткість шини С_z, безпосередньо зв'язана з повільністю ходу автомобіля, його демпфуючою спроможністю, навантаженнями в деталях ходової частини.

Нормальна жорсткість шини С_z - це перша похідна нормального навантаження колеса по нормальному прогині шини , чисельно визначається з відношення навантаження G_к до викликаного нею прогину h_z

(2.4)

Нормальна жорсткість залежить від конструкції шини. При однаковому тиску повітря шини з діагонально розташованим кордом мають на 10-20% велику нормальну жорсткість, чим шини з радіальним кордом.

Найбільший вплив на нормальну жорсткість робить внутрішній тиск повітря в шині. Причому ця залежність носить практично лінійний характер. Чим вище тиск повітря в шині, тим більше нормальна жорсткість.

Навантаження на колесо G_к у меншому ступені впливає на нормальну жорсткість шини С_z, особливо в області її номінальних значень.

У реальних умовах експлуатації нормальна жорсткість залежить від ряду чинників, зокрема, від динамічних режимів нагружения, форми опорної поверхні, форми і розмірів нерівностей, температури шині і т.д.

2.2.3 Окружна (тангенціальна) деформація шини

При додатку до колеса крутного моменту М (рисунок 2.1) і (або) подовжні сили Р_х відбуваються деформування боковин і протектора шини, що викликає її окружну деформацію, що також називають тангенціальною деформацією шини.

Дія на колесо крутного моменту М (рисунок 2.2а) - штрих-пунктирними лініями показані положення радіальних ліній, нанесених на профіль шини, при відсутності крутного моменту, а суцільними - при його наявності викликає поворот ободу колеса на деякий кут β_м щодо нерухомого контакту. При цьому точка 1 обіду колеса переміститься в положення 2.

Від дії подовжньої сили Р_х (рисунок 2.2б) відбувається зсув вертикальної осі колеса щодо центру контакту (точка А) у напрямку дії цієї сили на розмір С і кутовий зсув обіду колеса щодо нерухомого контакту на кут β_р. На колесо крутний момент і подовжня сила часто діють одночасно (рисунок 2.2). Тут штрих-пунктирними лініями показані положення радіальних ліній, нанесених на профіль шини, при дії подовжньої сили і відсутності крутного моменту, а суцільними - при спільній дії подовжньої сили і крутного моменту. Оскільки до закручування шини веде дія в крутний момент і подовжньої сили, то окружну (тангенціальну) деформацію шини оцінюють кутом закрутки шини β - це кутовий зсув точки обіду колеса навколо осі обертання колеса щодо нерухомої в контакті точки шини в результаті збільшення крутного моменту, обмірюване в площині обертання колеса. Тангенціальна деформація шини дуже впливає на кінематику руху автомобільного колеса.