Контактирование шины с опорной поверхностью

Цель работы:

экспериментальное исследование параметров контакта шины с опорной поверхностью.

Содержание работы:

Изучить теоретические положения по взаимодействию колеса с опорной поверхностью.

В результате выполнения лабораторной работы предусматривается определение следующих параметров контакта шины с опорной поверхностью:

1) фактической площади контакта шины с дорогой;

2) контурной площади контакта;

3) коэффициента насыщенности контакта;

4) среднего фактического давления в пятне контакта;

5) среднего контурное давления в пятне контакта.

При обработке полученных данных установить:

- влияние давления воздуха в шине на величину фактической площади контакта шины с дорогой;

- влияние давления воздуха в шине на величину контурной площади контакта;

- зависимость коэффициента насыщенности контакта от давления воздуха в шине.

1.1. Оборудование и инструменты:

1) Автомобиль.

2) Домкрат.

3) Шинный манометр.

4) Копировальная бумага.

5) Миллиметровая бумага.

6) Лист чистой бумаги.

Теоретические положения по взаимодействию колеса

С опорной поверхностью

Опорные свойства автомобиля зависят не только от свойств грунта, но и от веса автотранспортного средства и свойств его шин, которые определяют площадь пятна контакта и величину давле­ния на опорную поверхность.

При контакте шины с твердой поверхностью (асфальтобетон, цементобетон и т.п.) площадь пятна контакта зависит от величины нормальной нагрузки (G_к) и радиальной жесткости шины (с_ш).

При этом следует различать контурную площадь пятна и площадь по выступам протектора (рис. 4.1.).

а б

Рис. 4.1. Площадь пятна контакта шины с дорогой:

а) по выступам; б) контурная

Контурная площадь (F_к) представляет собой площадь фигуры, образованной замкнутой линией, огибающей зону контактирования выступов протектора с опорной плоскостью, а площадь по выступам (F_в) - сумму площадей фактических зон контактирования выступов с опорной поверхностью.

При взаимодействии колеса с твердой опорной поверхностью контурная площадь пятна контакта значительно больше площади по выступам, т.к. включает все промежутки между выступами протектора.

Отношение указанных площадей называется коэффициентом насыщенности контакта:

К_н = F_в/F_к. (4.1.)

Контурная площадь пятна контакта может быть приближенно найдена по формуле, предложенной Р. Хедекелем:

F_к = πh_z , (4.2.)

где D_св, b - соответственно свободный диаметр и ширина профиля шины;

h_z - радиальная деформация шины.

Величина радиальной деформации определяется величиной нагрузки G_к и радиальной жесткостью шины с_ш:

h_z = G_к/с_ш. (4.3.)

Значение G_к принимается по справочным данным технической характеристики автомобиля и принимается равной половине массы, приходящейся на соответствующую ось автомобиля, умноженную на ускорение свободного падения.

Радиальная жесткость, в свою очередь, зависит от конструкции шины, геометрических размеров и внутреннего давления воздуха.

Ее значение может быть выражено эмпирической формулой:

с_ш = πк(p_w + р_о) , (4.4.)

где p_w - внутреннее давление воздуха в шине;

p_о - давление в пятне контакта при p_w = 0;

к - эмпирический коэффициент.

Поделив величину нагрузки (G_к) на площадь (F_к), получим формулу, выражающую среднее давление шины по контуру пятна контакта:

Р_{ш ср} = G_к/F_к = кр_w + р_о. (4.5.)

Если значение эмпирического коэффициента неизвестна, то пользуются левой частью формулы (5).

Среднее фактическое давление определяется по формуле:

Р_{ф ср} = G_к/F_в. (4.6.)

При качении колеса по грунту имеют место следующие деформации опорной поверхности:

1) смятие и уплотнение грунта;

2) выдавливание грунта в стороны;

3) перемещение грунта по направлению движения ("бульдозерный" эффект);

4) отрыв поверхностного слоя грунта вследствие его прилипания к шине;

5) срез протектором поверхностного слоя грунта и его выбрасывание из зоны контакта (эффект "экскавации" при пробуксовывании колеса).

Работа по смятию грунта колесом за один оборот равна работе по деформации объема грунта шириной b, высотой h и длиной S = 2pr_к (рис. 4.2.).

Величину работы смятия можно выразить формулой:

А_г = Sb , (4.7.)

где: S – длина колеи;

b – ширина колеи;

f(h) – зависимость нормального давления колеса на грунт от глубины колеи (деформируемость грунта).

За один оборот колеса работа силы сопротивления качению:

А_f = P_f S. (4.8.)

Рис. 4.2. Смятие грунта колесом

Если принять, что А_f равна работе по деформации грунта (А_г), то, приравняв А_f и А_г и поделив обе части равенства на S и G_к, получим формулу коэффициента сопротивления качению (точнее той его части, которая связана со смятием грунта):

f_г = , (4.9.)

где с, m - постоянные коэффициенты, определяемые при обработке экспериментальных данных.

Из формулы (9) следует, что при определенных параметрах грунта (с и m), ширине колеса и приходящейся на него нагрузке коэффициент сопротивления качению нелинейно зависит от глубины колеи и с увеличением последней возрастает.

Порядок проведения работы

В результате выполнения лабораторной работы предусматривается определение следующих параметров контакта шины с опорной поверхностью:

1) фактической площади контакта шины с дорогой;

2) контурной площади контакта шины с дорогой;

3) коэффициента насыщенности контакта;

4) среднее фактическое давления в пятне контакта;

5) среднее контурное давление в пятне контакта.

Фактическая площадь пятка контакта, т.е. площадь по выступам

протектора (F_B), устанавливается путем получения отпечатка выступов протектора шины на листе миллиметровой бумаги и последующего

определения суммарной площади отпечатков всех выступов, вошедших в контакт с твердой опорной поверхностью.

Контурная площадь пятна контакта (F_K) устанавливается путем определения площади фигуры, образованной линией, плавно огибающей все крайние отпечатки выступов протектора.

1.4. Методика экспериментального определения параметров контакта

1. С помощью шинного манометра проверяют давление воздуха в
шине. Фактическое давление должно быть равно номинальному,
предусмотренному технической документацией. В случае отклонения
давление доводят до номинального значения.

2. Вывесить колесо автомобиля, выводя его из контакта с опорной
поверхностью.

3. В шине вывешенного колеса вновь замеряют давление.

4. Под вывешенное колесо подводят подкладку, поверх которой
кладут чистый лист миллиметровой бумаги разлинованной стороной
кверху. На миллиметровку накладывают лист копирующей бумаги,
красящей стороной вниз, покрывая ее сверху листом бумаги.

5. Опускают автомобиль, давая возможность колесу оставить
отпечаток.

6. Вывесить колесо автомобиля, выводя его из контакта с опорной
поверхностью, после чего снимают листы бумаги и производят расчет фактической и контурной площади пятна контакта графическим способом по полученному отпечатку.

Для этого производят разбивку полученного рисунка на небольшие участки, площадь которых можно определить по известным формулам.

Рекомендуется выбирать следующие геометрические фигуры: прямоугольник, квадрат, треугольник, ромб, трапецию, круг.

Данная рекомендация применяется для определения фактической и контурной площади пятна контакта.

7. Указанный эксперимент, начиная с п. З, выполняют еще несколько раза, каждый раз снижая давление в шине на 0,2 кг/см² .

Результаты всех шести опытов сводят в таблицу 4.1.

Таблица 4.1

Результаты опытных данных

№ п/п	Давление в шине, кг/см2 .	Площадь, см2.	Коэффициент насыщенности контакта	Давление, кг/см2.
Факти- ческая	Контур- ная	Среднее фактичес-кое	Контур- ное
	2,0
	1,8
	1,6
	1,4
	1,2
	1,0

После проведения лабораторной работы необходимо довести давление в колесе до нормативного давления.