Определение характеристик эластичной шины на стенде при торможении. Методические указания

Федеральное агентство по образованию Восточно-Сибирский государственный технологический университет

Определение характеристик эластичной шины на стенде при торможении

методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу “Теория автомобиля” направление 653300 «Эксплуатация наземного транспорта» специальности 150200 “Автомобили и автомобильное хозяйство” и 230100 “Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (автомобильный транспорт)”

2 А.В. Быков “Определение характеристик эластичной шины на стенде при торможении”, методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу “Теория автомобиля”. 12с., рис. 4, табл. 1, Улан-Удэ, 2005 г.

В методических указаниях излагаются основы силового баланса и динамики торможения автомобильного колеса с эластичной шиной. Даны методики экспериментального определения радиуса качения в функции изменения нормальной нагрузки, а также выходных характеристик эластичной шины в функции проскальзывания при ее качении без увода в тормозном режиме. Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по специальностям 150200 “Автомобили и автомобильное хозяйство” и ” и 230100 “Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (автомобильный транспорт)”. Ключевые слова: Автомобиль, теория, шины, торможение, проскальзывание, качение, колесо

Составитель: Быков А.В.

Издательство ВСГТУ Улан-Удэ 2005

© Восточно-Сибирский государственный технологический университет, 2005 г.

4 1. Теоретические предпосылки определения характеристик эластичной шины при ее качении в тормозном режиме по жесткой опорной поверхности без увода

3 СОДЕРЖАНИЕ 1.

Теоретические предпосылки определения характеристик эластичной шины при ее качении в тормозном режиме по жесткой опорной поверхности без увода

4

2.

Конструкция стенда с беговым барабаном для исследования выходных характеристик эластичных шин

6

3.

Определение радиуса качения колеса rко для случая его качения в ведомом режиме без увода

8

4.

Определение выходных характеристик эластичной шины при качении в тормозном режиме без увода

9

5.

Построение графиков

10

Характеристики эластичной шины при ее качении в тормозном режиме по жесткой опорной поверхности представляются в виде зависимостей удельных или абсолютных значений силовых параметров в функции изменения проскальзывания S. Поэтому для рассмотрения этих зависимостей воспользуемся схемой сил и моментов, действующих на колесо при его торможении на жесткой опорной поверхности, представленной на рис.1.1.

Рис. 1.1 Схема сил, действующих на колесо автомобиля при его торможении на жесткой опорной поверхности. В соответствии со схемой (рис.1.1) уравнение динамики качения эластичного колеса в тормозном режиме запишем в виде: (1.1) Fx = M т / rk 0 + F f + F j = Fт + F f + F j где: Мт - тормозной момент, действующий на колесо от тормозного механизма; Fт – продольная сила колеса Ff – сила сопротивления качению эластичного колеса; Fj – сила инерции колеса rко – радиус качения колеса в ведомом режиме (силовой радиус);

5 Учитывая, что Fx=Rx и что в режиме торможения, продольная реакция опорной поверхности ограничена сцеплением, максимальный тормозной момент, который реализуется колесом:

M т max = ( Rx − F f )rk 0 + J k ×

dω k dt

6

(1.2)

Rx – продольная реакция опорной поверхности на действие тормозной силы; Jк – момент инерции колеса относительно оси его вращения; ωк – угловая частота вращения колеса. Следует помнить, что:

M j = Jk ×

dω k dt

(1.3)

представляет собой инерционный момент Мj , возникающий в момент изменения угловой частоты вращения колеса. Анализируя уравнение (1.2) динамики качения эластичного колеса в тормозном режиме, отметим еще две его особенности. Во-первых, второе слагаемое (Ff rко) представляет собой величину второго порядка малости по сравнению с остальными слагаемыми. Во-вторых, произведение продольной реакции опорной поверхности Rx на радиус качения колеса в ведомом режиме rко есть ни что иное, как момент сцепления колеса с опорной поверхностью Мϕ : M ϕ = Rk × rко (1.4) характер изменения которого определяет коэффициент сцепления колеса с опорной поверхностью ϕ , поскольку: Rx = Rz × ϕ (1.5) C учетом вышеизложенного, получим упрощенное уравнение динамики качения эластичного колеса в тормозном режиме: (1.6) M j = M т − Mϕ

Рис. 1.2 График моментов действующих на тормозящее колесо в функции изменения проскальзывания. 2. Конструкция стенда с беговым барабаном для исследования выходных характеристик эластичных шин Для исследования динамики торможения автомобильного колеса с эластичной шиной в стендовом зале кафедры создан уникальный стенд с беговым барабаном. Привод стенда осуществляется от электрического асинхронного двигателя.

Следует отметить, что характеристики процесса торможения колеса с целью их наглядности принято изображать в функции проскальзывания отпечатка шины относительно опорной поверхности - S:

S = 1−

ω k × rко V

(1.7)

где V - линейная скорость поверхности бегового барабана относительно оси вращения колеса.

Рис. 2.1 Схема стенда для исследования характеристик шин (вид спереди)

7

8 бающим моментом. Чувствительные тензодатчики регистрируют величину реакции Rх , а регистрирующее устройство (на рисунке не показано) позволяет наблюдать за ее изменением. Учитывая выражение (1.4) реакция Rх легко пересчитывается в момент сцепления колеса с опорной поверхностью Mϕ. 3. Определение радиуса качения колеса rко для случая его качения в ведомом режиме без увода Радиус качения колеса rко очень близок по своему абсолютному значению к силовому радиусу качения колеса определяемому в свободном режиме. Воспроизвести ведомый режим качения колеса значительно проще чем свободный, и сам процесс определения радиуса качения rко не представляет особых сложностей. Для этого обычно пользуются зависимостью:

rко =

Sk 2πn

(3.1)

Рис. 2.2 Схема стенда для исследования характеристик шин (вид сверху) Основой стенда беговой барабан 1 диаметром 2,8 м. В конструкцию входят также система привода бегового барабана, система нагружения колеса нормальной нагрузкой, система измерения продольной (тормозной) реакции, а также система нагружения колеса тормозным моментом. Система привода бегового барабана состоит из асинхронного электродвигателя 21, фрикционного сцепления 20, коробки перемены передач 19 и цепной передачи 18. Система нагружения колеса нормальной нагрузкой состоит из направляющего аппарата (состоящего из рычагов 5,7 и 8), нагружающего гидроцилиндра 9, а также нажимной пружины 6. При создании в гидроцилиндре давления жидкости его шток начинает перемещать нижний конец рычага 7 в направлении силы Ргц . При этом верхний конец рычага 7 начинает деформировать пружину 6, которая, в свою очередь, нагружает колесо 4 через рычаг 5 нормальной нагрузкой Rz. Положение рычага 5 и колеса 4 в пространстве устанавливается рычагом 8 и рамкой подвеса колеса 3, которая через подвижный шарнир жестко крепится к тензобалке 2. Система нагружения колеса тормозным моментом состоит из тормозного механизма барабанного типа, связанного с колесом карданной передачей 22. На валу карданной передачи 22 наклеены датчики измеряющие величину подводимого к колесу тормозного момента. Система измерения продольной реакции Рх состоит из рамки подвеса колеса 3 и тензобалки 2. При возникновении в пятне контакт колеса с поверхностью бегового барабана тормозной силы Fх, в направлении оси рамки 3 возникает реакция Rх стремящаяся нагрузить защемленную тензобалку изги-

где : Sк - путь, пройденный колесом за n оборотов при фиксированном значении нормальной нагрузки Rz . Определим значения радиуса rко для случая качения колеса по жесткой поверхности бегового барабана без увода. Для определения радиуса качения колеса rко необходимо: 1. Установить в шине давление воздуха 0,19 МПа; 2. При помощи гидроцилиндра нагрузить шину нормальной нагрузкой 500 Н (контроль нагрузки осуществлять по измерителю прогиба нажимной пружины); 3. Измерить свободный радиус колеса линейкой; 4. В центре пятна контакта шины мелом нанести на боковую поверхность шины риску начала отсчета пути пройденного колесом; 5. Напротив, на поверхности бегового барабана нанести вторую риску; 6. Медленно вращая руками беговой барабан провернуть колесо вокруг оси вращения ровно 10 раз; 7. Во время поворота колеса считать количество оборотов барабана; 8. Определить радиус качения колеса rко, учитывая, что путь, пройденный колесом по поверхности бегового барабана определяется по формуле: S k = 2π × nб × rб (3.2) где nб - количество оборотов сделанных беговым барабаном; rб - радиус бегового барабана (rб = 0,8 м); С учетом выражений (3.2) и (3.1) найти радиус качения rко. 9. Значение рассчитанного радиуса качения rко занести в отчет;

9 10. Последовательно определить значения радиуса качения rко для следующих значений нормальной нагрузки на колесо : 1000 Н, 1500 Н, 2000 Н, 2500 Н, 3000 Н, 3500 Н; 11. Используя полученные значения построить график зависимости радиуса качения rко от нормальной нагрузки на колесо Rz . 4. Определение выходных характеристик эластичной шины при ее качении в тормозном режиме без увода С целью экспериментального определения выходных характеристик эластичной шины в функции проскальзывания S (рис. 1.2) сначала необходимо получить зависимости двух силовых (Mт и Rx) , а также двух кинематических (ωк и ωб) параметров в функции времени. ( В данном случае ωб- угловая частота бегового барабана ). Для этого необходимо : 1. Установить в шине давление воздуха 0,19 МПа; 2. Подготовить к работе, тарировать и прогреть измерительную аппаратуру; 3. При помощи гидроцилиндра нагрузить шину заданной величиной нормальной нагрузки; 4. Пустить двигатель привода бегового барабана; 5. Выжать сцепление и включить третью передачу в КПП привода бегового барабана (что соответствует линейной скорости 20 м/с); 6. Плавно отпуская рычаг сцепления привести во вращение беговой барабан с прижатым колесом; 7. Включить измерительную аппаратуру в режим регистрации параметров и, с интервалом в долю секунды, выполнить пункт 8; 8. При помощи рычага главного тормозного цилиндра, расположенного в пультовой выполнить экстренное торможение колеса до полного блокирования и последующее его растормаживание; 9. Выполнить пересчет зависимостей Rx =f(t), ωк=f(t), в зависимость Mϕ=f(S), а зависимости Mт=f(t) и ωк=f(t), в зависимость Mт=f(S) и полученные зависимости построить в виде графика. Для обработки полученных зависимостей выразим линейную скорость V через угловую частоту вращения бегового барабана:

V = ωб × rб

ω ×r S = 1 − k ко ω б × rб

(4.2)

Входящие в выражение (4.2) радиусы rб и rко в условиях стенда можно считать константами. Угловая частота бегового барабана ωб в процессе торможения колеса также меняется очень мало и ее тоже можно считать константой. Из выражения (4.2) видно, что областью допустимых значений S для режима торможения является: 1 => S => 0 причем, для случая качения колеса в ведомом режиме S близко к нулю, а для случая полного блокирования колеса (когда ωк = 0) S = 1. 5. Построение графиков Построение графиков Mϕ=f(S), Mт=f(S) и ϕ=f(S) следует выполнять на основании обработки полученной осциллограммы процесса торможения колеса. Это делают в следующей последовательности: 1. С дискретностью 2 мм по оси (X) измерить на осциллограмме и занести в первую строку Таблицы 1 значения угловой частоты вращения колеса ωк . Определяя масштабный коэффициент пересчета графика зависимости ωк=f(t) помните, что линейная скорость бегового барабана V=20 м/с, а радиус качения колеса легко найти из ранее полученного графика; 2. Используя выражение (11) для каждого полученного значения ωк по известному значению ωб рассчитать проскальзывание S, а полученные результаты занести во вторую строку Таблицы 1; 3. С дискретностью 2 мм по оси (X) измерить на осциллограмме и занести в третью строку Таблицы 1 значения реализованного момента по сцеплению Mϕ; При определении величины масштабного коэффициента для графиков моментов следует учитывать, что оба они получены в едином масштабе и максимальная величина тормозного момента ограничена величиной 1200 Нм. 4. С той же дискретностью измерить на осциллограмме и занести в четвертую строку таблицы 1 значения тормозного момента Мт; 1

(4.1)

где ωб и rб соответственно угловая частота и радиус бегового барабана. Теперь подставим выражение для V в ( 1.7 ):

10

Угловая скорость колеса ωк Проскальзы-

2

3

4

Таблица 1. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... n . .

1

2

3

4

11 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . .

12 n

Угловая скорость колеса ωк вание S Момент сцепления Мϕ Момент тормозной Мт Коэффициент сцепления ϕ

Определение характеристик эластичной шины на стенде при торможении

5. Используя значения Таблицы 1 построить оба графика зависимостей Mϕ=f(S) и Mт=f(S) на масштабно-координатной бумаге формата А4, при длине оси (Х)=180мм, а оси (У)=240мм. 6. Используя значения Таблицы 1 пересчитать значения момента по сцеплению Mϕ в значения коэффициента сцепления ϕ, учитывая, что: М ϕ = Rz × ϕ × rко (4.3) Полученные значения поместить в пятую строку таблицы 1. 7. Используя значения Таблицы 1 построить график зависимости ϕ=f(S) на масштабно-координатной бумаге формата А4, при длине оси (Х)=180мм, а оси (У)=240мм. 8. Измерить на графике ϕ=f(S) максимальное значение коэффициента сцепления ϕмах и определить величину проскальзывания, при которой оно наблюдается. Оба значения указать на графике ϕ= f(S). 9. Измерить значение коэффициента сцепления при заблокированном колесе ϕблок при S=0. Значение ϕблок указать на графике ϕ= f(S).

Составитель: Быков А.В.

Подписано в печать 14.02.2005 г.Формат 60×84 1/16. Усл. п. л. 0,7, уч.-изд.л. 0,6. Тираж 100 экз. Заказ № 15. Издательство ВСГТУ. Г.Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40, в. © ВСГТУ, 2005 г.